近日，中國科學院上海高等研究院光源科學中心物理生物學研究室、中國科學院上海應用物理研究所和上海交通大學合作發展了一種用單鏈DNA編碼金納米粒子的方法，並實現了動態「納米」分子反應。該方法通過設計一條多嵌段的單鏈DNA序列，可以賦予金納米粒子類似原子的離散價態和正交價鍵。這些「納米」原子則可通過DNA分子反應組裝成各向異性的「納米」分子，並進而產生「納米」分子反應。該工作以Programming nanoparticle valence bonds with single-stranded DNA encoders為題於Nature Materials 在線發表。姚廣保、李江、李茜和陳曉亮為論文的共同第一作者，中科院院士樊春海與荷蘭格羅寧根大學Bernard L. Feringa院士為共同通訊作者。該工作還得到上海光源BL19U2小角散射線站的支持。
對微觀尺度的分子或材料進行精確的動態調控，體現了人類對微觀世界的認知與操控能力。然而，對納米粒子的精確動態調控仍然充滿挑戰。在生物體中，生物分子機器具有極為精巧的結構並受到嚴密的時空調控，而這些複雜結構的時空排布信息是由一維的DNA分子序列所編碼而成的。受此啟發，該團隊提出利用多嵌段的單鏈DNA序列來編碼金納米粒子表面的價鍵信息，進而構建具有離散價態與正交價鍵的「納米」原子。以這些「納米」原子為基元，可以通過正交的DNA配對自組裝形成具有精確顆粒數和各向異性的「納米」分子。而這些「納米」分子在合成後仍然具備可重排的能力。因而，利用DNA鏈取代反應，可以引發動態的「成鍵」與「斷鍵」，模擬加成、分解、置換和複分解等多種基本化學反應。他們還基於這一體系設計了單顆粒邏輯門，並集成為「投票機」邏輯電路。當多數輸入信號為正（「贊成票過半」）時，「納米」分子解離；當只有少數信號為正時，「納米」分子不發生解離反應。這些精確組裝而具有動態響應能力的納米「原子」和「分子」有望應用於生物智能診斷與治療等領域。
圖1.利用單鏈DNA編程的多種「納米分子」
圖2.基於納米分子動態反應的投票機邏輯電路
來源：中國科學院上海高等研究院