1引言
納米科學是研究結構尺寸在1~100nm范圍內物質性質和應用的科學，從20世紀80年代末誕生起就受到了全世界科學家的青睞。原子和分子的集合體一般都處于納米尺度，能夠表現出特殊乃至與宏觀物體截然不同的物理、化學性質。因此，直接操縱原子、分子來構建具有特定功能的納米結構、納米材料和納米器件成為了納米科學研究的焦點。
DNA是脫氧核糖核苷酸（Deoxyribonucleic Acid）的簡稱，是主要的遺傳物質，對遺傳信息的儲存與傳遞有著極其重要的作用。1953年，Watson和Crick利用X射線晶體衍射技術成功推測出DNA的雙螺旋結構[1],隨后堿基互補配對原則也被提出。
1982年，Seeman提出DNA能夠通過堿基互補配對原則形成特定的結構，而且單個的結構可以通過粘性末端形成復雜的二維或三維結構[2].這表明DNA不再只是遺傳物質，還能作為一種天然納米材料構建各類功能結構和納米器件，Seeman提出的這一設想是DNA納米技術的核心。此后，DNA分子引起了納米科學領域的廣泛關注，研究人員設計和合成了各種各樣的功能DNA和不同的DNA結構，DNA納米技術也滲入到眾多領域。
本文將主要介紹三種典型的DNA納米結構以及DNA納米技術在分析檢測和疾病治療領域的應用，并對DNA納米技術的未來進行展望。
2三種典型的DNA納米結構
2.1天然DNA納米結構---G-四聚體G-四聚體（G-quadruplex）不同于遵循A-T、G-C堿基互補配對原則形成的傳統DNA雙鏈結構，它是由富含G堿基的單鏈（或雙鏈、四鏈）DNA通過分子內（或分子間）相互作用形成的獨特四鏈結構，也叫G-四鏈體、G-四聯體。
1962年，Gellert及合作者通過X射線衍射法證明了鳥苷酸能形成一種四鏈結構[3].
在這種結構中，四個鳥嘌呤分子形成一個正方形平面（G-平面），其中每個鳥嘌呤通過氫鍵相互作用與相鄰兩個鳥嘌呤連接。富含G堿基的DNA在某些低價態陽離子的穩定作用下能形成G-平面，而且由于G堿基在DNA鏈中的連續分布，G-平面能夠堆積成四鏈結構，即G-四聚體[4].
從本質上來說，G-四聚體的穩定是由于多種相互作用之間達到平衡，包括氫鍵、靜電作用、范德華力和堿基的π-π堆積作用等。這些作用力在宏觀條件下則表現為序列組成和溶液環境等因素對G-四聚體穩定性的影響[5,6].Sugimoto等人從熱力學和動力學兩個方面的研究說明了金屬離子、溶液pH和堿基序列組成對于人體端粒序列中G-四聚體和DNA雙鏈兩種結構競爭有很大影響[5],這對研究G-四聚體和DNA雙鏈結構的構象轉換和平衡有重要意義。
G-四聚體結構主要分布于多種生物細胞端粒DNA和啟動子的鳥嘌呤富集區域，是一種天然存在的DNA納米結構[4,7].它與基因表達的調控和染色體正常狀態的維持有著密切聯系，如形成G-四聚體結構能穩定端粒DNA、抑制其無限增長進而防止細胞癌變。研究發現端粒DNA的無限增長與癌細胞的形成和繁殖有密切關系，端粒DNA是線性染色體末端的DNA重復序列，由一部分雙螺旋DNA和一段短的富含鳥嘌呤的單鏈DNA（TTAGGG）組成[7].當存在某些低價態陽離子時，端粒末端富含G堿基的DNA鏈能形成穩定的G-四聚體結構，導致端粒DNA無法復制和擴增，對抑制癌細胞的形成有重要意義。
2.2人工DNA納米結構---DNA折紙術DNA折紙術（DNA Origami）是利用DNA分子的特殊結構和堿基互補配對原則，將一條長的環狀單鏈DNA的特定區域進行折疊，并用短鏈加以固定，構造出預期的結構。DNA折紙術主要通過五個步驟完成：首先構建預期的幾何模型和腳手架鏈，接著將腳手架鏈的特殊區域進行折疊，再將過量訂書釘鏈與腳手架鏈結合，然后調整和合并訂書釘鏈，最后退火得到預期的DNA納米結構。
DNA折紙術最早是由Rothemund課題組[8]在2006年提出來的，并在Nature雜志上以封面論文發表。利用DNA折紙術，Rothemund得到了方形、三角形、五角星、笑臉等復雜的二維結構。2007年，Douglas等人[9]應用DNA折紙術的方法，將M13Mp18腳手架鏈折疊成長410nm的六螺旋納米管，第一次使用DNA折紙術制造出了三維結構。其后，更多的二維圖形和三維結構被設計和制造出來[10-13].
Andersen等人[10]折出了一種三維的六面體DNA納米空心盒子，該盒子的一個面還能通過DNA鏈交換反應實現人為控制開關，這種納米盒子能夠被應用于分析檢測等領域。
Yan等人[14]設計并組裝出了多種帶有曲度的復雜結構，如半球、圓球、橢球、細頸花瓶等。2013年，Yan等人[15]對DNA折紙術方法進行一些改變、利用四臂結又組裝出了格子狀結構，并用該格子狀結構創造出了球體、螺旋狀等三維結構，這一成果將推動更為復雜的線框結構的出現，是DNA折紙術的一大突破。
DNA折紙術是傳統DNA自組裝的延伸，相比較傳統tile自組裝具有圖形復雜度高、編碼便捷、反應迅速、成本低廉等優點[16,17].盡管DNA折紙術剛剛起步，在實際應用方面還在不斷嘗試和探索，但其應用前景非常廣闊。
DNA折紙術的結構是預期設計好的，所以折紙DNA中所有位點都是可尋址的。因此，DNA成為納米排布的理想模型，可以被應用于納米材料的組裝[18-20]、納米粒子的精確定位[21]和單分子檢測[22-24]等方面。此外，利用DNA折紙術能組裝出各種不相同形狀的三維結構，還可能被用于藥物運輸和疾病檢測等領域[25,26].
2.3功能DNA納米結構---核酸適配體核酸適配體（Aptamer,又稱核酸識體、核酸適配子）是一種經過人工合成和篩選的功能DNA結構。它是通過指數富集的配體系統進化（SELEX）技術篩選得到的一類DNA或RNA序列，該序列能夠借助氫鍵、范德華力、疏水作用等分子間作用力形成特殊的三維結構（如發卡、假結、凸環等），從而特異地、高效地與各種靶標物（如金屬離子、小分子、蛋白、細胞等）結合。
核酸適配體及其體外篩選技術最早是由Szostak和Gold兩個研究組提出來的。1990年，Gold研究組[27]運用體外篩選技術得到了一種能夠與T4DNA聚合酶特異性結合的寡聚核糖核苷酸鏈，并把該體外篩選技術命名為SELEX（Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment）。同年，Szostak研究組[28]也報道了一種能結合小分子有機染料的RNA片段，并將其定義為核酸適配體（Nucleic AcidAptamer）。核酸適配體篩選技術的主要過程是首先在體外設計并合成隨機核苷酸庫，然后將該核苷酸庫與靶標物質混合培養，經過特定分離方法除掉未與靶標物質相結合的核酸序列，再對結合的序列進行反篩選排除掉非特異性結合的核酸序列，最后通過PCR技術擴增特異性核酸序列直到所得的核酸文庫對靶物質的解離常數達到目標值。核酸適配體的發現表明核酸分子不僅能夠作為遺傳信息的載體，還能通過自身特定結構與其他分子發生相互作用。
隨后，研究人員又相繼發現了各種能夠特異性結合金屬離子、三磷酸腺苷、核酸、生物大分子等的核苷酸序列[29-36].進入21世紀后，以細胞為靶標物的核酸適配體篩選技術（1）引起了廣泛關注[37,38].由于特定的癌細胞表面帶有與正常細胞和其他類型癌細胞均不相同的特異性分子標志物，因此利用Cell-SELEX,可以在不知道分子標志物的情況下篩選出多個與相應癌細胞特異性結合的核酸適配體。
由于核酸適配體能夠高效、特異性地與其他分子結合，在一定程度上與傳統抗體的作用類似，因此被稱為“化學抗體”.但相比傳統抗體，核酸適配體具有許多優點[39-41],如易于制備與修飾、長期穩定性好、變形可逆、免疫原性小、無毒性和快速的組織穿透性等?；谶@些優點，核酸適配體被廣泛應用于分析檢測、生物傳感、癌癥診斷與治療等領域。
3 DNA納米技術的應用
3.1物質檢測
3.1.1重金屬離子的檢測
重金屬離子是當今環境主要污染物之一，嚴重影響人們的生活質量和身體健康。因此，對重金屬離子進行檢測也顯得尤為重要，目前研究人員利用DNA分子已經實現了對多種重金屬離子的檢測。Mirkin課題組[42]將兩條含T-T錯配的互補DNA鏈分別修飾在不同的納米金上，在Hg2+存在的條件下，兩條DNA鏈脫離納米金形成穩定的T-Hg-T結構，納米金失去保護而聚沉，同時熔鏈溫度提高，因此通過監測熔鏈溫度便能定量檢測Hg2+.Willner[43]設計了一種基于特異結合Pb2+的脫氧核酶和G-四聚體/氯高鐵血紅素復合結構的電化學傳感器，成功檢測到了Pb2+.在Pb2+存在的條件下，該脫氧核酶能夠切斷特定的底物核酸分子鏈使其形成G-四聚體并與氯高鐵血紅素作用，導致載體金的電學性質發生改變而被檢測出來。此外，Ag+[44]、UO+2[45]、Cu2+[46]等離子的檢測也能借助DNA分子成功實現。
3.1.2 酶的檢測
酶具有高效的催化功能，在生物體生命活動的調節和新陳代謝中起到了重要作用，因此生物體中酶的檢測對生命活動的研究有重大意義。一些酶能夠識別特定的DNA序列并與其發生作用，使該DNA失去其原本的功能，通過這一特點可實現對這一類酶的檢測。
S1核酸酶能催化雙鏈DNA水解，使納米銅的合成因缺少雙鏈DNA模板而無法進行，導致檢測不到納米銅的熒光信號，從而實現對體系中S1核酸酶的檢測[47].在尿嘧啶DNA糖基化酶（UDG）存在的條件下，含有尿嘧啶的RNA鏈會發生水解，而與其互補配對的富含G的DNA鏈則會脫離出來并折疊成G-四聚體結構，再與三價鐵化合物結合產生熒光信號，表明對UDG的成功檢測[48].另外，研究人員還利用脫氧核酶探針成功檢測到了早期癌細胞內的端粒酶[49].
3.1.3其他物質的檢測
許多功能DNA分子能夠通過共價或非共價作用與其他化學、生物物質相結合，使自身結構或性質發生變化，與無機材料相結合可以將這一變化轉換為人眼可觀或者儀器能檢測到的信號，從而實現對這一類物質的檢測和分析。俞汝勤等[50]設計了一種DNA發卡結構用來檢測核酸分子，目標核酸分子能與發卡的特定區域結合而使其打開并在低價態金屬離子的穩定下形成G-四聚體，然后再通過G-四聚體/氯高鐵血紅素的催化作用證明目標核酸分子的存在。譚蔚泓課題組[51]合成了一種核酸適配體修飾的MnO/Au異質結構，生物分子能與其核酸適配體特異性結合并在MnO/Au的激光解吸電離作用下產生帶電粒子而被質譜儀捕捉，同時實現了對生物分子的檢測和質譜分析。目前利用DNA功能結構還實現了對蛋白質[52,53]、有機分子[54,55]等物質的檢測。
3.2癌癥診斷與治療
3.2.1癌癥診斷
早期癌細胞的檢測對于癌癥臨床診斷和治療至關重要。一直以來，癌細胞的檢測主要通過觀察癌變組織或細胞的形態來判斷，但這種方法無法給出準確的診斷。而利用Cell-SELEX技術篩選得到的核酸適配體能夠高效、特異地結合特定癌細胞，在癌細胞捕獲、檢測和成像等領域有重要應用，準確地診斷出早期癌癥。譚蔚泓與合作者[56]將核酸適配體修飾的納米金與微流元件相結合，發展了一種高效捕獲并分離血液中循環腫瘤細胞的方法。曲曉剛課題組[57]設計了一種基于核酸適配體和功能化石墨烯的電化學傳感器，通過癌細胞表面過度表達的核仁素實現對癌細胞的檢測。王柯敏課題組[58]發展了一種發卡結構的核酸適配體，該適配體能夠特異性識別癌細胞，當靶向癌細胞存在時，發卡結構打開使其攜帶的熒光分子產生信號，呈現出癌細胞分布的熒光圖像。
3.2.2藥物運輸
DNA分子能夠自組裝形成特定的功能結構，而且具有穩定性高、生物兼容性好、細胞毒性小等優點[59,60],因此被用作藥物運輸的載體并且能夠在靶向試劑的作用下到達靶細胞實現治療的效果。利用rolling circle amplification的方法能將一條DNA長鏈和少量短的訂書釘鏈折疊出預期的DNA折紙術結構，該結構可用作CpG免疫刺激性藥物的載體[61];將兩條DNA短鏈與核酸適配體結合，經過雜交和鏈延長后能形成納米“火車”結構，提供大量的可尋址位點來負載藥物，并在核酸適配體的“牽引”下運輸到特定部位[62];核酸適配體末端接上疏水基團后在溶液中便能自組裝成膠束結構，抗癌藥物被儲存在膠束內部并隨膠束運輸到特定細胞后釋放出來[63];DNA鏈還能結合到納米金顆粒表面形成球形核酸結構，擁有藥物運輸、成像等多重功能[64].此外，將DNA分子與偶氮苯結合能實現藥物的可控釋放[65,66].
3.2.3靶向治療利用Cell-SELEX技術可以在不知道分子標志物的情況下篩選出多個與相應癌細胞高效、特異結合的核酸適配體，能夠用于分子水平的靶向治療，極大地改善癌癥的治療效果、減少毒副作用。Farokhzad與合作者[60]最先將核酸適配體用于靶向化療，他們用高分子納米材料負載紫杉醇并用核酸適配體修飾，該復合物被成功用于模擬動物實驗，顯著提高了治療效果且降低了毒性。其后，譚蔚泓課題組[67]在空心多孔的磁性納米顆粒表面接上聚乙二醇配體，再修飾上核酸適配體，該復合物能同時實現靶向化學治療和核磁共振成像。
另外，近年來，靶向光動力學治療和靶向光熱治療也引起了人們的關注。將高選擇性的核酸適配體與光敏劑相結合，利用光敏劑受激發能產生活性氧來殺死癌細胞，達到靶向光動力學治療效果[68-70].而靶向光熱治療[70-72]則是利用金、銀納米顆?；蚣{米棒的表面等離子共振性質，在近紅外光激發下金、銀納米材料能夠產熱并在核酸適配體靶向作用下殺死特定癌細胞。
4結論與展望
DNA分子的獨特性質，使其成為非常重要的天然納米材料，在構造功能結構和納米器件方面有著極為重要的地位。
DNA納米技術目前已經取得了巨大的成就，被廣泛應用于分析檢測、傳感器、疾病診斷與癌癥治療、分子機器等眾多領域。但其仍然處于發展的初期階段，面臨著較多挑戰，如更高級結構的設計、DNA合成的高成本、DNA合成的純度限制、DNA自組裝易出錯等。隨著這些問題的解決和DNA納米技術的飛速發展，DNA納米技術將在已滲入的領域中有更重要的應用，同時還將在其他新的領域，如DNA計算機、數據儲存等方面發揮重要的作用。
