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基于DNA序列依赖的上转换纳米颗粒表面功能化及其可控组装

镧系掺杂上转换纳米颗粒(UCNPs)具有组织穿透深度强、背景自荧光小、耐光损伤和耐光漂白等特性,被广泛地应用于生物标记、靶向治疗等领域。然而,上转换纳米颗粒通常在有机相中合成,表面含有一层疏水的油酸配体,限制了其在生物领域的应用。DNA,作为生命遗传物质之一的生物大分子,具有良好的生物相容性,近些年被认为是上转换纳米颗粒表面改性的优异材料。目前,DNA修饰上转换纳米颗粒主要是利用配体交换或交联剂偶联等方法,而对于DNA碱基与上转换纳米颗粒之间的相互作用却缺乏系统性的研究。


近日,上海交通大学张川特别研究员、朱新远教授团队联合南京工业大学黄岭教授团队,提出了DNA与上转换纳米颗粒之间存在序列依赖的关系,上转换纳米颗粒对于DNA四种碱基中的胞嘧啶(C)具有特征性的吸附作用,并基于此设计了一种双嵌段DNA修饰上转换纳米颗粒的方法(图1)。其中,双嵌段DNA由用来吸附在上转换纳米颗粒表面的poly-C嵌段(Poly-C Binding segment)和后续用来进行碱基识别的杂交嵌段(Hybridization segment)两部分组成。该方法过程简单、温和,所用DNA无需额外的基团修饰,适用于不同形貌、粒径及光学特性的上转换纳米颗粒的表面DNA功能化。修饰后的上转换纳米颗粒具有优异的单分散性及稳定性,能够广泛的应用于DNA介导的上转换纳米颗粒的可控组装。

图1. 双嵌段DNA修饰上转换纳米颗粒过程示意图


在探究DNA与上转换纳米颗粒之间的序列依赖过程中,团队成员受金颗粒对腺嘌呤(A)的特征性吸附启发,猜测是否上转换纳米颗粒对于DNA四种碱基,腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)中的某种碱基存在特征性吸附。随后,课题组开展实验探究,将四种单一碱基的DNA序列,poly-A、poly-G、poly-C和poly-T与ligand-free UCNPs共同孵育,结果表明,与poly-A、poly-G和poly-T相比,上转换纳米颗粒对于poly-C具有最高的吸附量,且为其它三种碱基的3-4倍(图2a-c)。为了进一步探究胞嘧啶(C)与其它三种碱基对于上转换纳米颗粒是否存在竞争吸附的关系,该团队将含有C10嵌段的双嵌段DNA序列(C10+A10, C10+T10及 C10+G10)分别与ligand-free UCNPs进行孵育,发现C10序列仍会优先吸附于上转换纳米颗粒表面(图 2d)。基于由以上结果,该团队提出了含poly-C嵌段的双嵌段DNA修饰上转换纳米颗粒的方法。

图2. 探究DNA四种碱基与上转换纳米颗粒之间的序列依赖关系。


该团队选取了不同形貌的上转换纳米颗粒(球形、棒状)进行了表面DNA的修饰,并与金纳米颗粒或DNA折纸进行组装。由透射电子显微镜、琼脂糖凝胶电泳及原子力显微镜可得,在DNA互补配对的作用下,上转换纳米颗粒与金纳米颗粒或DNA折纸均可精确组装,得到所设计的组装体结构。由此证实,修饰在上转换纳米颗粒表面的DNA序列仍保持其优异的互补配对功能。

图3. DNA诱导下的上转换纳米颗粒的可控精确组装。


如上所述,该团队系统性的研究了DNA与上转换纳米颗粒之间的序列依赖关系,提出了上转换米颗粒对于胞嘧啶C的特征性吸附,并基于此设计了一种简单、通用的双嵌段DNA修饰上转换纳米颗粒的方法,该方法得到的DNA修饰的上转换纳米颗粒具有良好的稳定性及单分散性,在纳米组装及生物医学领域具有巨大的应用前景。


此项研究受到国家自然科学基金、国家重点研究开发计划等基金的支持。葛欢博士、王东亚博士为共同第一作者,张川特别研究员和黄岭教授为共同通讯作者。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Sequence-Dependent DNA Functionalization of Upconversion Nanoparticles and Their Programmable Assemblies

Huan Ge, Dongya Wang, Yue Pan, Yuanyuan Guo, Hongyu, Li, Fan Zhang, Xinyuan Zhu, Yuehua Li, Chuan Zhang, Ling Huang

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 8133-8137, DOI: 10.1002/anie.202000831


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