如何創(chuàng)建納米籠，即具有規(guī)則空隙和可調(diào)屬性的穩(wěn)健且穩(wěn)定的物體?DNA分子的短片段是新型復(fù)雜結(jié)構(gòu)可控設(shè)計(jì)的完美候選者。來(lái)自維也納大學(xué)，維也納技術(shù)大學(xué)，德國(guó)Jülich研究中心和美國(guó)康奈爾大學(xué)的物理學(xué)家研究了在實(shí)驗(yàn)室中合成基于DNA的樹枝狀大分子的方法，并使用詳細(xì)的計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)它們的行為。他們的研究結(jié)果發(fā)表在高影響力的納米尺度期刊上。

從基礎(chǔ)科學(xué)和可能的應(yīng)用的角度來(lái)看，納米籠子是非常有趣的分子構(gòu)建體。這些納米尺寸物體的空腔可以用作較小分子的載體，這在用于生物體中的藥物或基因遞送的醫(yī)學(xué)中是至關(guān)重要的。這個(gè)想法匯集了來(lái)自不同跨學(xué)科領(lǐng)域的研究人員，他們一直在研究樹枝狀大分子作為創(chuàng)造這種納米載體的有希望的候選者。它們的樹狀結(jié)構(gòu)和逐步增長(zhǎng)與重復(fù)的自相似單元導(dǎo)致樹枝狀大分子包含空腔，空心物體具有可控設(shè)計(jì)。盡管如此，數(shù)十年的研究表明，隨著樹枝狀聚體的生長(zhǎng)，大量不同的樹枝狀聚合物類型經(jīng)歷了外部樹枝的向后折疊，在分子內(nèi)部產(chǎn)生更高密度的成分。在溶液中加入鹽后，反向折疊的效果得到增強(qiáng)，由此柔性樹枝狀聚合物經(jīng)歷顯著的收縮，變成緊湊的物體，其內(nèi)部沒有空腔。

合作者團(tuán)隊(duì)由NatašaAd?i?和Christos Likos(維也納大學(xué))，Clemens Jochum和Gerhard Kahl(維也納大學(xué))，Emmanuel Stiakakis(Jülich)以及Thomas Derrien和Dan Luo(康奈爾)組成。研究人員找到了一種方法來(lái)創(chuàng)造足夠剛性的樹枝狀大分子，即使在高分枝世代的情況下也能防止外臂向后折疊，從而保持其內(nèi)部的常規(guī)空隙。此外，它們的新型大分子的特征在于對(duì)添加的鹽的顯著抗性：它們表明即使在高濃度下即使加入鹽也不會(huì)影響這些體系的形態(tài)和構(gòu)象特征。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建并在計(jì)算上研究的納米籠是基于DNA的樹枝狀大分子，或所謂的樹枝狀聚合物樣DNA(DL-DNA)。它們構(gòu)成的構(gòu)件是Y形雙鏈DNA單元，由雙鏈DNA(ds-DNA)組成的三臂結(jié)構(gòu)，通過三條單鏈DNA鏈(ss-DNA)的雜交形成，每個(gè)都與其他兩個(gè)序列具有部分互補(bǔ)的序列。每個(gè)臂由13個(gè)堿基對(duì)和一個(gè)單鏈粘性末端組成，其中有四個(gè)核堿基作為膠水。雖然單個(gè)Y-DNA對(duì)應(yīng)于第一個(gè)樹枝狀聚合物生成，但是其他Y-DNA元件的附著產(chǎn)生更高代的DL-DNA。得到的樹枝狀大分子是帶有樹狀結(jié)構(gòu)的帶電和空心的大分子組裝體。由于dsDNA的剛性，DL-DNA的分支是僵硬的，因此整個(gè)分子是剛性的。由于DNA帶電，靜電排斥增強(qiáng)了分子的剛性。

Jülich和Cornell合作伙伴在實(shí)驗(yàn)室中組裝了DL-DNA分子，通過可編程的粘端內(nèi)聚力實(shí)現(xiàn)卓越的控制和亞納米精度。它們的逐步增長(zhǎng)是高度可控的，單向的和不可逆的。該性質(zhì)是非常重要的，因?yàn)橐呀?jīng)表明基于DNA的樹枝狀大分子已經(jīng)被設(shè)想在開發(fā)納米級(jí)條形碼，基于DNA的疫苗技術(shù)以及涉及多重分子感測(cè)過程的結(jié)構(gòu)探針中發(fā)揮有希望的作用。通過維也納的計(jì)算機(jī)模擬分析了實(shí)驗(yàn)者看不到的尺寸，形狀以及額外的構(gòu)象細(xì)節(jié)，例如空隙的大小和背向折疊的分支程度。為了描述DNA單元的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，該小組使用一個(gè)簡(jiǎn)單的單體分解模型，其中精心選擇的相互作用模擬生理溶液中DNA的平衡特性。在樹枝狀聚合物特征的實(shí)驗(yàn)和模擬之間獲得的極好協(xié)議驗(yàn)證了所采用的理論模型，并為進(jìn)一步研究納米籠的性質(zhì)及其作為功能性和智能納米載體的應(yīng)用以及作為工程生物相容性人造材料的構(gòu)建塊鋪平了道路。