DNA折纸技术.ppt

——DNA折纸技术 载药新材料研究进展2013-11-142006年美国加州理工学院计算机生物工程师Paul Rothemund开发了一种“DNA折纸术”（ DNA origami technique ），像折叠一条长带子那样，把一条DNA长链反复折叠，形成 需要的图形，就像用一根单线条绘制出整幅图画折叠后的 DNA长链，通过一些“钉子”对适当位置上的DNA短链加以固定， 从而构建出了一张二维结构的精美图谱 DNA折纸技术可以将DNA折叠为二维或三维的纳米级形状 这种技术是由美国加州理工学院的Paul Rothemund博士 发明的，在诊断设备的新型分子传感器、分子药物容器、药 物递送系统的开发，以及确定酶的级联反应中，DNA折纸技 术都将具有重要的应用在许多的实验室中， DNA支架，或 者更为精巧的DNA结构正在被用于各种新颖的应用上在2006年，Rothemund博士通过他发明的“一步法”，利用数 条短的DNA单链指导一条长的病毒DNA单链折叠为预设的形状 这一技术实现了以前需要数论合成、纯化并耗时几天甚至几个 星期才能达到的目的利用这种方法，Rothemund博士构建了一些直径为100nm左 右、空间分辨率（指图像中可辨认的临界物体空间几何长度的 最小极限）为6nm左右的结构，组成了六种不同的形状，如四边 形、三角形、五角星等。

Rothemund博士说：“我的研究证实了 ，利用这种技术不仅可以构建任何想要形状的大致外形，也可 以构建任意形状的空洞结构或大小超过200像素的表面模型 他把这种方法命名为“DNA支架折纸术（scaffolded DNA origami）”视频提高药物递送效果瑞典卡洛琳学院Björn Högberg博士的研究团队专注于研 究将DNA组成的“装置”进行颗粒化并用于医学研究人员将长的单链DNA分子与大约200条短的单链寡核苷 酸链进行混合，随着短的单链寡核苷酸链与长的单链支架经过 杂交在一起，各种形状的纳米级结构就产生了在DNA纳米结 构完成自组装后，各个寡核苷酸的位置也就清楚了2012年，科学家报道称，已经成功地设计并验证了两种 DNA折纸纳米结构用于将蒽环类药物多柔比星（阿霉素）递送 至三种不同的人类乳腺癌细胞系因为多柔比星在癌症治疗中 的作用机制是插入到DNA中去，而DNA纳米科技则支持此类高度 个性化，因而科学家们预测，DNA折纸纳米结构的这些特征将 容许对DNA纳米结构进行优化调整用于药物递送研究人员报告称，通过调节纳米结构的设计， 他们还可以调节封装效率以及药物的释放速度，与 无DNA纳米结构包装的药物相比，这种技术可以提高 药物的细胞毒性并降低药物在细胞内的消失速度。

研究人员得出结论说：“有前途的释放动力学和 细胞毒性的阿霉素/ T纳米系统，结合知名的灵活性 ，DNA折纸术的方法来装饰靶向配体的结构与使DNA 结构的一个潜在的候选平台主动靶向的抗癌纳米结 构研究人员总结称，DNA折纸技术众所周知的灵活 性与纳米药物递送系统相结合，使得这种DNA结构成 为一种非常有潜力的抗癌纳米结构候选平台Shih 实验室开发过一种叫做caDNAno软件程序，利 用这一程序用户们可以手动构建出支架DNA折纸的二维图 纸Bathe开发的新型软件程序dubbed CanDo既容纳了 caDNAno的二维设计性能，还可用于预测最终设计的三维 结构Rothemund认为CanDo程序应该能帮助DNA折纸设计者 更充分地检测DNA的结构，调整使它们正确折叠尽管 我们现在能够设计出东西的形状，然而我们还没有帮助 设计和分析结构中应力和张力的具，”Rothemund说：“在 分子水平上，DNA双螺旋结构的应力会降低结构的折叠稳 定性，导致局部缺陷，这将阻碍支架DNA折纸技术的发展 DNA Gridiron Nanostructures Based on Four-Arm JunctionsDongran Han,Suchetan Pal, Yang Yang, Shuoxing Jiang,Jeanette Nangreave,Yan Liu, Hao YanDNA折纸技术的复杂性出现了新转折。

来自自亚利桑那州 大学生物与化学研究所以及纽约大学化学系的研究人员成功控 制单链DNA折叠回来形成二维或三维纳米结构 DNA折纸技术 需要利用脚手架指导单链DNA折叠形成任意形状由严浩( Hao Yan)教授带领的亚利桑那州这个团队，利用彼此几乎成直角的 两条DN链交叉结构形成的脚手架，成功创造现今为止更多复杂 的形状这种类似的十字结构被称为 Holliday结合点 严浩及其 团队通过调整脚手架的组装方式克服了这个问题，这种调整方 式使得结合点出现轻微扭曲结果，结合点能连接在一起，并 形成华夫饼似的格子结构严浩表示，这种结构其稳定性，令 人惊讶该团队能利用这点，不仅能指导DNA二维结构的形成，也 能指导DNA三维球状结构及螺旋状结构研究人员希望DNA折纸 技术能更有用，也许建立一种容纳药物的三维”笼”，并将药物 运输至身体需要的指定位置DNA Origami Delivery System for Cancer Therapy with Tunable Release PropertiesYong-Xing Zhao, Alan Shaw, Xianghui Zeng,Erik Benson,Andreas M. Nystrom,and BjornHogbergCompared to many other nanoscale systems designed for drug delivery such as polymer micelles and inorganic particles, DNA origami based construction has several advantages: (i) same size, shape, and charge for each particle instead of the size distribution often seen for self-assembled nanostructures; (ii) perfect control of the placement of functionalities on the structure using specific oligos.Figure 1. Nanostructure design and characterization. (A and B) Dox intercalation shifts the pitch and twist density of DNA.Crystal structure data of six base pairs of DNA without, A (from ref 17), and with Dox, B (from ref 18), intercalation at the sitesmarked with *.S-nano T-nanoFigure 2. DNA nanostructures as a drug delivery carrier. (A) The release rates of the different carriers were measured by measuring the fluorescence intensity of Dox after diffusion through a dialysis membrane permeable only to small molecules. (B) Loading capacity of the T-Nano vs the S-Nano structures with linear regression.Figure 3. Cytotoxicity of free Dox and Dox/T-Nano against MDA-MB-231 cells (A), MDA- MB-468 cells (B), and MCF-7 cells(C) after 48 h incubation.Cellular Immunostimulation by CpG Sequence-Coated DNA Origami StructuresVerena J. Schuller,Simon Heidegger, Nadja Sandholzer,Philipp C. Nickels,Nina A. Suhartha,Stefan Endres,Carole Bourquin, and Tim LiedlScheme 1. Design of 30-helix DNA origami tube and endocytotic pathway. Left: Three different types of CpG-H0s with (I)unmodified phosphate backbone, (II)phosphorothioate (PTO)-modified backbone, and (III) partly PTO-modified backbone.Middle: Blue cylinders indicate double helices; black lines indicate possible connection sites for CpG sequences. Right: (1) DNAorigami tube internalized by endocytosis; (2) vesicle segregated by the Golgi apparatus containing the transmembrane Toll-like receptor 9 (TLR9); (3) fusion of endosome with DNA origami tube and TLR9 containing vesicle; (4) recognition of CpG sequence by TLR9 and starting signaling cascade; (5)expression of surface molecules and release of cytokines that stimulate the further immune response.THANKS。