中国科学技术大学邓兆祥 J. Am. Chem. Soc.:闪速合成DNA密度最高的球形核酸

【引言】

球形核酸（SNA）即DNA多功能化纳米颗粒（NP），是DNA相关组装、传感和治疗等应用的关键纳米单元。SNA具有紧密嫁接的DNA链和由此带来的诸多独特性质，包括可调的杂交活性、增强的/多价靶标结合、陡峭的熔解转变曲线、抗核酸酶/盐稳定性和无载体细胞摄取等。SNA合成通常始于水溶液中带有巯基末端的DNA与金纳米颗粒（AuNP）之间的相互作用。DNA和AuNP上的负电荷会导致强烈的库仑排斥，不利于DNA接近金表面。为了克服此障碍，需要添加盐以屏蔽静电力，但这会增加NP团聚的风险。Mirkin等人意识到这一点，采用逐步加盐和延长陈化时间以最大化DNA负载量。同样，表面活性剂也可用于稳定AuNP。

【成果简介】

修饰有高密度DNA链的纳米粒子（NP），也称为球形核酸（SNA），广泛用于可编程的DNA组装、传感、成像和治疗。常规的SNA合成过程非常耗时，且需要格外小心以避免NP聚集。中国科学技术大学邓兆祥等人报道了一种极其简单、快速、高效且可望规模化制备的过程，作者称之为“INDEBT”(Instantaneous Dehydration in Butanol)，可瞬间生成具有创纪录的高DNA密度SNA。该方法依赖于DNA/NP混合物和丁醇相接触时的快速除水。该过程产生均匀混合的DNA/NP脱水“固溶体”，大大加速了DNA在NP表面的Au-S键锚定反应。与文献中最先进的DNA修饰策略相比，丁醇中瞬间脱水（INDEBT）最高能使DNA密度增加至3倍左右。这种超致密的DNA嫁接反应在几秒钟内即可完成，所得SNA可用于高密度核-卫星组装体的构建。这一工作使SNA合成变得轻而易举，并使未来能够探索具有超高DNA密度SNA的物理、化学和生物学效应。该成果以“Flash Synthesis of Spherical Nucleic Acids with Record DNA Density”为题发表在J. Am. Chem. Soc.上。

【图文导读】

图1. 典型的INDEBT过程

（A）操作流程；（B-C）凝胶电泳结果显示，随丁醇：H₂O体积比增加，柠檬酸盐（B）和磺化三苯基膦（C）保护的15 nm AuNP表面DNA修饰量先缓慢增加（B）或几乎不变（C），发生脱水（INDEBT）时DNA接枝量急剧增加。

图2. DNA接枝量的测定

（A-D）通过冷冻和INDEBT获得的系列尺寸（5-45 nm AuNP，21-89b DNA）SNA的电泳图和荧光DNA定量；（E）不同方法制备的SNA的DNA修饰密度对比。

图3. 冷冻-INDEBT分步修饰及纳米荧光探针制备

（A）通过冷冻-INDEBT分步过程获得的DNA载量；（B）双链DNA修饰；（C）纳米探针表面带FAM荧光标签DNA的释放量；（D）目标DNA诱导带FAM标签DNA释放过程的荧光监测

图4. INDEBT获得的SNA用于高密度核-卫星组装

（A）组装结果的凝胶电泳表征；（B）基于TEM的组装产物卫星计数；（C-D）以冷冻和INDEBT制备的DNA功能化AuNP和AuNR（金纳米棒）为核组装得到的核-卫星结构TEM图像

【小结】

文章利用丁醇引起的瞬间脱水（INDEBT）实现SNA的秒速生成。该方法不需要特殊的设备、苛刻的条件和难以掌握的技巧，因而可望进一步扩大制备规模。新策略不仅减小了SNA制备过程的时间和失败率，而且使DNA接枝密度达到了新记录。这一进展对促进DNA纳米技术的快速发展和SNA的广泛应用十分及时。该工作所实现的具有极高DNA密度的SNA将鼓励人们进一步探索其独特的化学和生物学效应。丁醇萃取是分子生物学实验室的常规技术，其在SNA合成中展示的新用途预示了INDEBT在化学/纳米技术中进一步应用的可能性。

本文第一作者为中国科学技术大学在读博士生郝艳。

文献链接：Flash Synthesis of Spherical Nucleic Acids with Record DNA Density, J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI:10.1021/jacs.1c00568

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。

团队介绍：邓兆祥，男，博士，中国科学技术大学化学与材料科学学院教授，博士生导师。2014年度国家杰出青年科学基金获得者。1991-2000年于中国科学技术大学应用化学系和化学系学习并获理学学士和博士学位，2000-2002年清华大学化学系博士后，2002-2005年美国普度大学化学系博士后。自2005年起任中国科学技术大学化学系教授。研究工作紧扣生物分子（主要为DNA）和纳米材料之间可控的物理和化学相互作用，如分子识别、选择性表面吸附、粒子形状和空间效应、界面电子和能量转移以及物性耦合等，结合凝胶电泳、电化学和光谱分析等手段，重点研究：（1）不同组成、形状和物理、化学特性的纳米材料稳定可控的生物修饰方法；（2）用于精确控制纳米材料表面配基数目（价态）以及监测纳米组装过程的高效分离、分析方法；（3）强偶联纳米结构的程序化组装策略及在分析、传感中的应用。在Acc. Chem. Res.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，CCS Chem.，Sci. China Chem.，Nano Lett.，Adv. Mater.，Chem. Sci.，Small，Chem. Commun.等期刊发表SCI收录论文100余篇。受邀在国内外学术专著中撰写5章，包括《DNA纳米技术：分子传感、计算与机器》（科学出版社），《Materials Science of DNA》（CRC出版社）和《DNA Nanotechnology: From Structure to Function》（Springer出版社）等。通用电化学模拟软件ecNETSIM唯一作者（非商业用途免费）。曾获中国化学会“青年化学奖”等奖项。应邀担任化学学报、中国化学快报、分析化学、中国科学技术大学学报以及Analytical and Bioanalytical Chemistry期刊编委。