现代工学院田野课题组开发的DNA折纸框架引领胶体粒子三维精准组装

胶体粒子在溶液相中自发组装成规整的三维阵列极大地推动了功能性材料构建的研究进程。一般而言，材料的自组装依赖于构建模块之间的相互作用以及构建模块自身的形状与性质。但对于生物分子而言，由于其复杂的形状以及表面功能化位点的特异性分布，通过传统方式构建三维空间的有序结构十分困难。在过去十几年中，DNA作为一种能够在微小尺度上有确定分子结构的聚合物，成功引导了一系列无机胶体颗粒实现了可编程的自组装。这种方法的核心是胶体与单链DNA结合，通过单链之间的碱基互补配对进行组装。该方法虽然精确，但无法将纳米粒子的大小、形状、表面结构等固有属性与装配过程分离开，这对于表面结构复杂的无机或生物分子的精准组装而言仍不具有普适性。因此，构建用于组装具有不同物理和化学性质的胶体颗粒的通用平台成为自组装领域的一大挑战。

近日，Nature Materials杂志在线发表了南京大学现代工程与应用科学学院田野教授与哥伦比亚大学Oleg Gang教授课题组基于DNA折纸框架结构在胶体粒子组装平台构建方面的最新研究成果“Ordered three-dimensional nanomaterials using DNA-prescribed and valence-controlled material voxels”。该研究以多面体DNA折纸框架为构建模块，将待装配的纳米粒子作为客体分子装入DNA折纸框架中，通过对DNA折纸框架的装配来实现对内部所包含纳米粒子的间接组装。实现该策略的关键困难之一是调控多面体DNA折纸框架结构顶点的设计以及顶点间连接与结构排列之间的关系。

田野教授等人选用了形状为四面体、八面体和立方体三种具有不同顶点数目的DNA折纸框架结构，通过顶点与顶点之间杂交组装得到一系列对称性不同的晶体结构，包括简单立方、体心立方、面心立方以及金刚石晶型。文中以八面体DNA折纸结构为例自组装得到高度有序的三维晶体，表明三维有序晶格可以完全由具有固定形状的DNA框架构建完成。基于此，金纳米颗粒、量子点以及生物酶作为客体容纳在DNA折纸框架中，随DNA折纸框架结构的装配实现了不同对称性结构的自组装。通过电子显微镜以及小角度X射线散射表征，不同纳米客体粒子的高度有序装配得到了证实，也一定程度上证明了这种DNA折纸框架为构建块的组装方法的通用性和广泛性。

为了进一步探求这一装配结构的稳定性及实际应用中的前景，研究人员利用这个平台合成了两种不同的材料组织，包括不同激发波长的量子点装配得到的光学体系以及葡萄糖氧化酶（GOx）与辣根过氧化物（HRP）共结晶得到的酶级联催化网络。研究发现，利用这一构建平台合成的两种结构体系在实际应用中具有更好的稳定性以及更大的应用潜能。

综上，此篇工作提出的基于DNA折纸框架结构的功能化客体自组装通用平台具有极大的通用性和广泛性，有推广到催化、生物和无机材料研究、超材料和信息存储设备制造等领域的潜能。该成果同时也受到了中组部高层次人才计划，江苏省青年基金，南京大学双一流建设等经费的大力支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0550-x