文|樹洞檔案

編輯|樹洞檔案

前言

DNA作為納米複合材料的構建塊具有巨大的潛力，它可以拴在一個廣泛的基質；

可以直接組裝，其特性大大超過任何合成分子，相對健壯；可以合成相對較大的數量的基因，並可以功能化標籤如螢光分子使快速檢測綁定事件。

DNA模板納米結構的形成

利用DNA組裝和製造納米結構和納米複合材料還處於起步階段，但即使是到目前為止所做的初步工作也表明了基於DNA的組裝技術具有巨大的潛力。

迄今為止已經研究過的一些方法包括DNA的礦化，使用DNA組裝納米顆粒，以及使用DNA組裝更大的膠體粒子。

利用質粒DNA作為礦化模板的可能性於1996年首次被探索。

在這項工作中，將單粒與鹼基對環狀質粒DNA用硫化鎘納米顆粒礦化，將質粒和高氯酸鎘混合在溶液中，然後將溶液旋轉塗在聚賴氨酸塗層的載玻片上。

將DNA高氯酸鎘包覆的玻璃載玻片暴露於硫化氫中，將高氯酸鎘轉化為硫化鎘，從而優先礦化DNA。

這一過程產生了環狀結構，將DNA嵌入在5-10nm硫化鎘厚的鏈中，可以直接在透射電鏡中直接觀察到。

基於dna的納米結構發展的另一個例子可以在基於dna的納米顆粒組裝的工作中看到，人們已經探索了幾種方法，其中大多數是基於附著在各種納米顆粒上的DNA鏈的沃森-克里克鹼基配對。

第一種方法涉及在單獨的反應中，多鏈金納米顆粒的功能化（其中「類型」用作不同核苷酸序列的標記）。

硫醇端基很重要，因為它能使DNA鏈共價連接到金納米顆粒上，重要的是，A鏈和C鏈被設計成它們不會雜交。

當B-D鏈與A型納米顆粒和C型納米顆粒雜交後，形成了一個dna連接的納米顆粒聚集物，聚集的形成是熱可逆的，通過增加溫度超過DNA的熔點。

金納米粒子的紫外可見光吸收變化很近，由於表面等離子體的變化，因此可以通過紫外可見光光譜來監測。

控制聚集體的形成，雖然有趣，但實際上是通過生物大分子和合成材料的結合創造更複雜結構的起點。

除了在一個納米顆粒上放置多個DNA分子外，還可以在一個納米顆粒上放置單個或有限數量的DNA分子。

然而這也需要相當程度的合成努力，因為人們通常從一群附著有不同數量的DNA分子的納米粒子開始。

通過仔細的分離，在其表面只有一個或兩個單鏈DNA分子的納米顆粒可以被回收。

這些DNA功能化的顆粒可以通過DNA雜交反應以高度控制的方式組裝，通過在納米顆粒上添加與單鏈DNA互補的單鏈DNA。

這類似於製造DNA連接聚集物的方法；然而，由於每個納米顆粒只包含一條DNA鏈，而不是多條鏈，雜交後的結果不是形成一個聚集的結構，而是金納米顆粒的單個二聚體。

金納米顆粒的三聚體也通過類似的方法創建，除了具有三個不同序列的一條DNA鏈的納米顆粒與納米顆粒表面與所有三條DNA鏈互補的DNA鏈混合。

基於DNA的納米結構組裝的整體能力是基於DNA雜交的幾個強大方面。

首先，雜交是可逆的。

例如，如果在納米結構組裝過程中，一個粒子沒有在正確的位置雜化，結構可以被輕輕加熱，釋放粒子，然後通過冷卻到DNA熔點以下重新捕獲。

DNA雜交具有非常特異性，與大多數有機連接化學物質不能區分分子結構上的微小變化不同，DNA可以被設計成只能雜交到它的精確互補鏈上。

因此，通過與編碼的DNA長鏈雜交，可以將許多DNA功能化的納米顆粒結合成非常特定的陣列，從而與每個DNA功能化的納米顆粒只在一個非常特定的位置發生反應。

蛋白質裝配與組裝

為了達到類似的分類研究可以獲得的複雜水平，人們可以設計或選擇能夠識別並結合對特定礦物、半導體和金屬具有高特異性的生物生物體。

大腸桿菌含有識別和結合氧化鐵的基因序列，但沒有其他金屬表面被鑑定並繁殖的細菌可以精確操縱納米顆粒的順序和空間排列。

大大小小的納米顆粒可以被設計成與DNA主鏈上的單個位點雜交或反應，由此得到的納米結構。

從生物衍生合成納米複合材料特異性地粘附於氧化鐵，通過從細菌群體中連續富集鑑定出來。

實驗過程如下：將遺傳多樣性的大腸桿菌群體暴露於氧化鐵顆粒中，收集與氧化鐵結合的細菌，其餘的細菌被丟棄。

也可以選擇附著在特定金屬表面的蛋白質序列，也可能附著在金屬納米顆粒上，通過這樣的生物學實驗，建立了一個長為14或28個胺基酸的107不同多肽庫。

然後，分離出粘附在金屬表面的多肽，並測定其序列為，這種方法非常強大，因為有大量不同的分子序列可以在一個實驗中並行研究。

從技術的角度來看，考慮用這個方法識別半導體表面和半導體納米顆粒的可能性是很有趣的。

如果能夠識別出合適的基因序列，就有可能通過生物生物體組裝納米顆粒，這些生物體被設計成在其表面呈現合適的生物大分子。

噬菌體顯示使同時檢測許多肽序列的給定表面的特異性。

它將包含109個多肽序列的噬菌體文庫暴露在一個表面，不管有沒有與表面結合的噬菌體都被洗掉，然後通過降低pH值將粘附的噬菌體從表面去除，並通過感染大腸桿菌進行擴增。

這個過程不斷重複，直到只有強烈附著在表面的噬菌體存在，然後對這些噬菌體的DNA進行測序，以確定特定的肽序列(s)，以如此高的親和力結合到特定的感興趣的表面。

還有一種能夠識別並結合到特定材料表面的噬菌體，也能與這種材料的納米顆粒緊密結合。

將納米顆粒結合的噬菌體與納米顆粒混合的結果是，用納米顆粒對噬菌體進行「裝飾」，這隻發生在包含特定結合多肽的噬菌體的末端，而在噬菌體上沒有其他地方。

根據實驗條件和噬菌體設計，甚至可以將單個納米顆粒與單個噬菌體結合，或將納米顆粒組裝成確定的結構，儘管在目前的技術狀態中，多個納米顆粒以相當隨機的方式結合到每個噬菌體上。

生物激發的納米複合材料

生物複合材料的性質及其合成途徑的形成激發了廣泛的研究。

然而，人們很早就認識到，在許多應用中使用生物衍生材料並不總是必要的，甚至是可取的，而且可以簡單地利用生物學作為完全合成納米複合材料系統的靈感。

有趣的是考慮生物系統作為納米複合材料的靈感，因為生物系統表現出許多特點，將吸引合成材料，但也很明顯，直接模擬生物學將局限於一個特定的一小部分的材料和特定的納米結構。

複雜的納米結構

然而，關於如何形成複雜的納米結構，我們可以從生物學中吸取許多教訓，以及這些合成的納米結構材料的潛在特性，如果人們應該能夠成功地合成它們。

當然，僅僅因為一種合成材料類似於自然過程，而形成這種材料的過程類似於自然合成，並不總是意味著從事這項工作的科學家和工程師就受到了生物學的啟發。

通常沒有說明生物學是否是這項工作的靈感，因此在假設僅僅因為某物是受生物啟發的之前必須謹慎。

我們可以從生物系統中學到很多東西，以進一步發展合成方法來形成複雜的無機結構。

納米結構形成的每一條途徑——液晶模板、膠體粒子模板、嵌段共聚物模板和表面活性劑——無機自組裝（介孔二氧化矽是這種納米結構形成方法中最著名的一種）——都調用了許多生物導向礦物生長的原則。

如前所述，生物系統在諸如殼、牙齒和骨等硬無機結構的合成過程中依賴於自組裝和礦化，它們的材料製造方法可以為合成系統提供指導和方向。

通常，「仿生」一詞已被應用於任何在納米複合材料合成中使用自組裝的方法，生物系統確實使用自組裝分子，而高水平的分子組織是生物體無機結構發展的重要組成部分。

然而，除了在最基本的層面上之外，期望在實驗室中模擬這個過程是幼稚的。

生物過程是極其動態的，涉及大量非常特定的蛋白質和其他分子被產生和運輸到非常特定的位置，並進行時間控制。

最好的合成系統確實是對生命系統的非常簡單的近似值，而且通常太簡單了，不能被認為是真正的模仿生物學。

雖然合成生物系統只是生命的簡單近似，但通過嘗試模擬生命系統仍然可以學到很多東西，即使仿生學可能不是最好的生物啟發納米複合材料。

例如，許多以在自組織基質中合成礦物相為中心的嘗試，確實模擬了許多生物系統的礦化過程。

基質介導的生物礦化過程的例子包括細菌、植物、貝殼，甚至哺乳動物依賴有機介導的礦物相生長，以消除副產品（細菌和植物），創造外骨骼（貝殼），並種植牙齒（哺乳動物）。

如果在合成過程中，有機分子被併入礦物相，所得到的材料可能類似於海膽的針狀體，其中插入晶格中的蛋白質遠少於1%。

總結

通過有機分子的自組裝，生物系統已經成功地合成了廣泛的複合材料和無機納米結構。

生物系統包含大量的脂質，或肥皂樣分子，它們自組裝（連同許多其他生物大分子，包括蛋白質）形成細胞的外膜，以及細胞內較小的囊泡。

這些膜用於保護內部的內容物，並為生物過程提供合成的微反應器，在自組裝微反應器中進行合成的概念在這個意義上受到生物學啟發。

參考文獻：

【1】Rosoff M（Ed）：囊泡.紐約： Marcel Dekker；1996.

【2】林斯多夫H83號，B城堡，維也納J： Angew.化學、國際.教育版.「發動機」.1988.

【3】表面活性劑的水相行為.聖地亞哥：學術出版社；1994年.

【4】85德喬治V，Corti M（Ed）：兩親體物理：膠束、囊泡和微乳劑.阿姆斯特丹：愛思唯爾科學酒吧.1985.

【5】兩親性聚集成膠束、囊泡和雙分子層膜的熱力學和幾何方面，以及它們之間的相互作用。在兩親體的物理學中：膠束、囊泡和微乳劑.教育版.德喬治五世，Corti M；1985.