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级联循环和酶催化下的DNA反应网络

【摘要】:在生命科学领域,DNA通常被认为是遗传信息的携带者,它先转录为mRNA,再继续翻译为蛋白质,之后在体内行使相应功能。随着科学家们对DNA的研究越来越深入,不断涌现出各种各样的DNA纳米技术,它们可以用于构建纳米尺度的结构材料、分子马达和循环网络等。核苷酸之所以能够成功被用作纳米构筑材料,主要源于沃森-克里克碱基互补配对的可预测性(A与T,C与G)。依靠这个特性,我们可以通过合理设计DNA序列,实现复杂结构的自组装。而且,DNA可以与其他材料(如金纳米粒子、碳纳米管等)相互作用建立更复杂的网络体系,实现更广泛的应用。动态DNA纳米技术的蓬勃发展,得益于立足点(toehold)协助下的链替换反应(TMSDR)这个重要概念:借助于toehold,单链DNA(输入链)和预杂交好的双链DNA发生链迁移反应,将其中一条链从底物链上释放出来,而输入链与底物链杂交形成新的双链。自从TMSDR概念提出后,各种各样的分子机器呈指数爆炸性增长。在本论文中,对于无酶体系,我们构建出级联催化化学放大器,用于化学和医学诊断上的信号放大和检测;对于酶参与体系,我们构建出催化可再生循环网络或者级联体系,促进本领域的发展。在本论文第一章中,首先对DNA纳米技术进行简要介绍,对链替换反应中涉及的物理化学特性进行细致分析,对基于链替换过程的催化反应进行具体罗列,对DNA纳米技术的现有应用进行分类论述。虽然DNA纳米技术日趋成熟,但对技术革新、效力提升的追求仍未停止。在第二章中,基于己成功建立的两种重要的DNA无酶催化循环:熵驱动催化网络(EDCN)和催化发卡组装(CHA),我们将之与球状核酸(SNA)组装报告体系结合,构建出一个二级级联体系。它具有如下优势:由于三个子体系间相对独立,就可以对相关物料参数分别调控得到最优的反应条件;报告体系中,SNA组装的信号过滤功能进一步将低浓度信号与泄露区分开来,最终实现~10万倍的信号放大;除了通过紫外-可见光谱实时监测反应动力学,也可以直接通过肉眼观察颜色变化检测一定的目标链浓度。在第三章中,基于传统熵驱动催化网络(EDCN),我们借助于切口酶Nt.BbvCI,通过将废底物重新转换为反应底物,将一般化学反应中反应物的不断消耗和废物的不断积累两个问题同时解决掉;该反应循环中催化链和反应底物都是可以循环利用的,当反应中的燃料链消耗完后,再次添加燃料链可使反应继续进行下去,所以就实现了 DNA循环的可再生。在第四章中,我们将核酸外切酶ExoⅢ引入球状核苷酸(SNA)组装,探究其催化循环行为;在此基础上引入催化发卡组装(CHA),构成两级催化循环体系,以期将信号放大,实现目标链的低浓度检测。最后,我们对以上实验内容进行了总结与展望。最近几年,基于链替换反应,出现了各种各样的反应机理及对应的物理化学特性研究,各种DNA纳米技术可以单独或与其他领域相结合应用于组装、检测、计算、结晶等;与此同时,各种酶参与下的DNA循环体系呈现出鲜明特色或卓越优势,值得我们进一步探究,揭示细胞内或细胞外更多科学奥秘。

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