一种刺激响应型核酸纳米结构载体手性贵金属纳米复合物及其制备方法和应用与流程

本发明属于纳米复合材料领域，尤其涉及一种刺激响应型核酸纳米结构载体手性贵金属纳米复合物及其制备方法和应用。

背景技术：

在生物体中，具有刺激响应性的生物大分子组装体系发挥着非常重要的作用。进化等级越高的生命体对环境改变做出的应激反应会更快更准确，这种快速的应激行为是由构成生命体的每个细胞共同发挥作用的结果。当细胞周围的环境发生变化时，细胞可以通过改变生物大分子组装体系的构象来产生相应的生物功能，以更好地适应环境。在大自然的启发下，大量具有刺激响应功能的人工组装结构被大量制备。

当入射光照射贵金属纳米颗粒时，如果入射光频率与纳米颗粒中自由电子震荡频率一致，那么表面电子就会发生集体震荡，共振吸收相应频率的入射光，产生局域表面等离子体共振现象，震荡的自由电子在纳米颗粒周围形成一定方向的电磁场。在入射光照射下，当两个或多个贵金属纳米颗粒相互靠近并形成非对称构象时，二者的电磁场相互作用，会在其等离子体共振峰处产生手性信号。纳米颗粒的成分、形状、尺寸、间距等都影响手性信号的位置和强度。贵金属纳米颗粒在可见到近红外波长范围内的光学现象使其得到广泛的研究。

DNA纳米技术的快速发展，尤其是DNA折纸结构的出现，使得纳米材料的精确组装得以实现。与以往的载体相比，DNA折纸结构具有明显的优势：(1)DNA折纸结构的形状具有可预测性，核酸纳米结构依靠碱基互补配对原则组装形成，因此可以通过调整DNA链的序列来设计DNA结构的形状。随着DNA技术的不断发展，人们可以设计出日益复杂的二维、三维DNA纳米结构；(2)可寻址性，在DNA结构特定位点延伸一段DNA序列，可以在DNA结构上实现纳米级精确定位；(3)组装复杂结构，在DNA结构的不同位点延伸出多条不同序列的DNA链，可以实现多元复杂结构的组装。

DNA折纸结构的上述优势，使其很快被应用到纳米材料的精确组装上，比如构建贵金属纳米颗粒的等离子体组装结构。通过DNA纳米技术，已经成功组装出非对称的螺旋状的金球组装体(J Am Chem Soc，2012，134，146-149；Nature，2012，483，311-314。)、金球四聚体(Nano Lett，2013，13，2128-2133。)以及交叉的金棒组装结构(Nanoscale，2014，6，2077-2081；J Am Chem Soc，2013，135，11441-11444。)和螺旋状的金棒组装结构(Nat Commun，2013，4；J Am Chem Soc，2015，137，457-462。)等，通过链置换反应或在DNA链中引入构象可变的光敏分子实现组装结构构象的改变，达到调节手性信号的目的。由于这些方法存在链的累积以及有限的构象调整能力，限制了复杂的生物环境中等离子体结构对生物活性物质响应的应用。

技术实现要素：

针对目前DNA技术调制等离子体组装结构光学信号方式的弊端，本发明提供一种刺激响应型核酸纳米结构载体手性贵金属纳米复合物及其制备方法和应用，其中，DNA模版能将外部生物信号转化为DNA模版的调整，进而实现间接调整等离子体立体构象的方法。通过外部生物信号引发等离子体结构的改变，一方面，克服了以往等离子组装体调制光学信号的弊端(链累积和有限的调节能力)，另一方面，本发明通过模拟外界环境变化调节等离子体结构光学信号，可用于监测特定生物活性物质等。

为实现本发明的目的，采用以下技术方案：

本发明的第一方面在于提供一种核酸纳米结构载体，其特征在于，所述核酸纳米结构载体为通过DNA折纸技术构建的两个三角形DNA折纸结构，通过控制链将两个三角形DNA折纸结构相连形成菱形折纸结构，具体是通过脚手架链与辅助折叠的订书钉链进行杂交，再通过控制链分别与两个三角形DNA折纸结构的脚手架链杂交而自组装形成的核酸纳米结构。

根据本发明，所述脚手架链与所述订书钉链、所述控制链与脚手架链都是通过碱基互补配对原则进行杂交。

根据本发明，所述脚手架链只要其能够满足特定位点上的碱基互补配对，使订书钉链能够辅助脚手架链进行折叠自组装形成核酸纳米结构都是可行的，本领域技术人员可以根据需要进行选择，本发明选用的脚手架链为M13噬菌体基因组DNA。

根据本发明，所述辅助折叠的订书钉链为人工合成的寡核苷酸序列，其选取5-20个位点延伸出了捕获序列。

根据本发明，所述控制链包含二硫键和/或限制性内切酶的特异性识别位点。所述控制链包含这些识别位点可用于响应外界的生物信号，谷胱甘肽能够切割二硫键，限制性内切酶可以在其特异性识别位点进行切割，从而改变核酸纳米结构载体的构象，除此之外，控制链中的二硫键、限制性内切酶的特异性识别位点附近还存在一些碱基，用于减小空间位阻。

本发明核酸纳米结构载体在谷胱甘肽、限制性内切酶等物质的作用下发生构象变化，进而引发结构手性信号减弱，成功地将外界信号转变为易于监测的光学信号。

在本发明的一个具体实施方式中，当加入还原性的谷胱甘肽后，控制链上引入的二硫键被还原成巯基，导致控制链断裂，进而将用控制链连接的菱形折纸结构拆成两个三角形，使得呈L型构象的金棒分开，进而使非对称的L型金棒结构被破坏，使其手性逐渐减弱至消失。

在本发明的一个具体实施方式中，当加入限制性核酸酶EcoR V后，控制链上引入的特异性的酶切序列被切断，导致控制链断裂，进而将用控制链连接的菱形折纸结构拆成两个三角形，使得呈L型构象的金棒分开，进而使非对称的L型金棒结构被破坏，使其手性逐渐减弱至消失。

由此可见，优选的核酸纳米结构载体为M13噬菌体基因组DNA与人工合成的订书钉链的寡核苷酸序列通过碱基互补配对原则进行杂交，再通过控制链分别与两个三角形DNA折纸结构的脚手架链杂交自组装而形成。

本发明的第二方面在于提供本发明第一方面所述的核酸纳米结构载体的制备方法，其包括以下步骤：(1)将所述脚手架链溶液、所述订书钉链混合溶液和所述控制链混合溶液混匀中，所述脚手架链、所述订书钉链与所述控制链的摩尔比为1:(2-30):(2-30)，混匀；

(2)以85-98℃为起始温度进行降温退火至20-30℃，采用超滤柱纯化；

(3)将纯化后的两种三角形DNA折纸结构以40-50℃为起始温度进行降温退火至20-30℃，进行梯度PCR循环，制得所述核酸纳米结构载体。

其中所述脚手架链、所述订书钉链与所述控制链的摩尔比可以是例如1:2：2、1:3:3、1:4:4、1:5:5、1:8:8、1:10:10、1:12:12、1:15:15、1:18:18、1:20:20、1:22:22、1:28:28或1:30:30，优选1:(5-20):(5-20)，更优选1:(8-15):(8-15)，特别优选1:10:10。

其中步骤(2)所述降温退火的起始温度可以是例如85℃、86℃、88℃、90℃、91℃、92℃、93℃、94℃、95℃、96℃、97℃或98℃，优选88-93℃，更优选90℃。

其中步骤(2)所述降温退火的终点温度可以是例如20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃，优选22-28℃，更优选25℃。

其中步骤(2)所述降温退火过程的持续时间可以是8-20h，例如8h、9h、10h、11h、12h、13h、15h、16h、18h或20h，优选为10-15h，更优选为12h。

其中步骤(2)所述的超滤柱为截留分子量为100kD的超滤柱。

其中步骤(3)所述降温退火的起始温度可以是例如40℃、41℃、42℃、43℃、44℃、45℃、46℃、47℃、48℃、49℃或50℃，优选43-48℃，更优选45℃。

其中步骤(3)所述降温退火的终点温度可以是例如20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃，优选22-28℃，更优选25℃。

其中步骤(3)所述循环的数量为3-10个，例如3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个，优选为4-8个，更优选为6个。

本发明的第三方面在于提供一种刺激响应型核酸纳米结构载体手性贵金属纳米复合物，所述刺激响应型核酸纳米结构载体手性贵金属纳米复合物包括贵金属纳米颗粒和如上所述的核酸纳米结构载体；所述贵金属纳米颗粒为表面进行寡核苷酸序列修饰修饰的金纳米棒、金纳米壳、表面包银的金纳米棒，金纳米笼中的一种或至少两种的混合物；所述核酸纳米结构载体与所述贵金属纳米颗粒通过寡核苷酸序列杂交偶联。

在本发明的一个具体实施方式中，通过电泳图证实装载金纳米棒后的核酸纳米结构载体具有清晰的电泳条带。再以电镜照片检测该载体的DNA折纸结构在与贵金属纳米颗粒偶联后的结构变化，可见核酸纳米结构载体-贵金属纳米颗粒复合物形成良好，可以观察到近似菱形结构上连有两个呈L构型的金棒，两个金棒的夹角部分在90°左右，也有的偏离90°较大，可能是由于样品在镀碳支持膜上沉积或负染过程中DNA结构发生扭曲变形，导致两个金棒间的夹角发生变化。

所述贵金属纳米颗粒可使用领域内任意已知方法制备。在一个优选的实施方案中，所述贵金属纳米颗粒为表面进行巯基化DNA修饰的金纳米棒。

本领域的技术人员将会理解，本发明的贵金属纳米颗粒的制备方法并不必然依赖于上述详细工艺及参数，此处给出的仅仅是较优的技术方案。本领域技术人员可以根据其经验制备所需的贵金属纳米颗粒。

根据本发明，所述贵金属纳米颗粒为表面进行巯基化DNA修饰的金纳米棒，所述表面进行巯基化DNA修饰的DNA与所述捕获序列互补。

本发明的第四方面在于提供本发明第三方面所述的刺激响应型核酸纳米结构载体手性贵金属纳米复合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1’)制备核酸纳米结构载体；

(2’)制备贵金属纳米颗粒；

(3’)将步骤(1’)得到的核酸纳米结构载体与步骤(2’)得到的贵金属纳米颗粒按照摩尔比1:(1-5)为混合于溶液中，进行降温退火；

(4’)将步骤(3’)得到的溶液进行电泳除去过量的贵金属纳米颗粒，纯化得到刺激响应型核酸纳米结构载体手性贵金属纳米复合物。

步骤(1’)中，核酸纳米结构载体的制备方法为根据本发明第二方面的制备方法，例如将M13噬菌体基因组DNA与所述订书钉链混合溶液和所述控制链混合溶液按摩尔比1:(2-30):(2-30)混合于溶液中，以85-98℃，为初始温度，逐渐降温退火至20-30℃。降温退火过程持续时间为，采用超滤柱纯化，再将纯化后的两种三角形DNA折纸结构以40-50℃为起始温度进行降温退火至20-30℃，进行梯度PCR循环，制得所述核酸纳米结构载体。

步骤(2’)中所述贵金属纳米颗粒可通过以下方法制备：利用晶种诱导生长法制备表面CTAB包裹的金纳米棒；使用合成的巯基化寡核苷酸序列取代金棒表面的CTAB，由此完成金纳米棒的DNA表面修饰；或者具体地，通过上文所述的巯基化DNA修饰的金纳米棒的合成和表面修饰方法进行制备；

步骤(3’)中，所述核酸纳米结构载体与所述贵金属造影剂的摩尔比例如可以是1:1、1:2、1:3、1:4或1:5，优选为1:(1-3)，进一步优选为1:2。

步骤(3’)中，所述降温退火为从温度40-50℃，逐渐降温退火至温度20-30℃。

步骤(4’)中，所述电泳的条件为：0.5-1％琼脂糖胶、电泳环境温度4-10℃、电泳缓冲液为0.5-1×TBE缓冲液并含5-11mM Mg²⁺、电泳电压为10-15V/cm、且电泳时间30-50min。

本发明的第五方面在于提供本发明第一方面所述的核酸纳米结构载体用于检测生物活性物质。

本发明的第六方面在于提供本发明第三方面所述的刺激响应型核酸纳米结构载体手性贵金属纳米复合物在制备生物活性物质检测中的应用。本发明中，“订书钉链”、“控制链”、“寡核苷酸序列”和“短链核苷酸序列”等表示核苷酸片段的术语或短语都意指同样的对象且具有相同的功能，即指通过碱基互补配对原则对脚手架链起到辅助折叠作用以使其自组装形成特定二维和/或三维结构的短的核苷酸序列。所述“订书钉链”是一种形象的表达，意指其像订书钉一样将脚手架链的不同位点钉在一起。“捕获序列”则指在选取5-20订书钉链位点延伸出捕获序列的短DNA序列，其捕获序列与DNA修饰贵金属纳米颗粒采用的序列互补。

本发明中，术语“脚手架链”是指长的DNA或RNA序列，尤其是指单链DNA序列，其是形成核酸纳米结构的主体原料，在订书钉链的辅助折叠作用下自组装形成特定二维和/或三维结构。

本发明中，术语“核酸纳米结构”是指脚手架链在订书钉链的辅助折叠作用下自组装形成的特定二维和/或三维结构。需要说明的是，该名称虽然含有“纳米”一词，但其实际所指的对象并不一定要限定为纳米级别，因此，本发明纳米只是一个统称，核酸纳米结构实际上代表纳米或微米级别的具备本发明技术特征的结构。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过DNA折纸技术，将脚手架链与辅助折叠的订书钉链和捕获链通过碱基互补配对原则进行杂交，再通过控制链与两个三角形的脚手架链杂交完成自组装而形成带有捕获序列核酸纳米结构载体，该核酸纳米结构载体可负载贵金属纳米颗粒复合物，实现核酸纳米结构载体与贵金属纳米颗粒的结合；

(2)本发明刺激响应型核酸纳米结构载体手性贵金属纳米复合物能将外部生物信号转化为DNA模版的调整，进而实现了间接调整等离子体结构的立体构象，通过外部生物信号引发等离子体结构的改变，一方面，克服了以往等离子组装体调制光学信号的弊端(链累积和有限的调节范围)，另一方面，本发明通过外界环境调节等离子体结构，可用于监测特定生物活性物质等；

(3)本发明可以通过控制链的设计，引入可以产生响应的结构，实现对多种生物活性物质的检测，具有十分广阔的应用价值；

(4)本发明制备所述核酸纳米结构载体的方法，只需要按照合适的比例将辅助折叠的订书钉链、脚手架链溶液和控制链溶液混匀，在适宜的温度范围内降温以实现自组装，不需要太多的人为干预，因此工艺简单且方便易行。

附图说明

图1为刺激响应型核酸纳米结构载体手性贵金属复合物的电泳图，其中，第一泳道为修饰DNA的金纳米棒，第三泳道为DNA折纸-金纳米棒复合物；

图2为DNA折纸-金纳米棒复合物的电子显微镜结果，标尺为100nm；

图3为用不同浓度的谷胱甘肽处理DNA折纸-金纳米棒复合物前后的圆二色光谱图；

图4为用EcoR V处理DNA折纸-金纳米棒复合物前后的圆二色光谱图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明所用的器材和材料：

器材：Mastercycler Pro梯度PCR仪(Eppendorf，德国)，5810R小型高速离心机(Eppendorf，德国)，凝胶成像系统，UV-2450紫外-可见分光光度计(岛津，日本)，透射电镜(Tecnei，日本)，圆二色光谱仪(Jasco J-1500)。

原料：短链核苷酸序列(订书钉链，Nature，2006，440，297-302)购自上海英潍捷基生物技术有限公司，M13噬菌体基因组DNA购自New England Biolabs公司。CTAB，氯金酸，硼氢化钠，硝酸银等合成金纳米棒的原料购自Sigma-Aldrich公司。

试剂：实验中所用的缓冲溶液有1×TAE/Mg²⁺缓冲溶液(pH 8.3)。其中，1×TAE/Mg²⁺缓冲溶液(pH 8.3)的组分为：4×10^-2mol L^-1Tris，2×10^-2mol L^-1乙酸，2.0×10^-3mol L^-1EDTA和1.25×10^-2mol L^-1醋酸镁；这些缓冲溶液所用的试剂均为分析纯，购自Sigma-Aldrich公司。

实施例1制备核酸纳米结构载体、金纳米棒、核酸纳米结构载体-金纳米棒等离子体手性复合物

将脚手架链：订书钉链：捕获链：控制链按摩尔比1：10：10：10的比例混合，在1×TAE/Mg²⁺的缓冲体系下置于PCR中退火杂交，得到三角形I和II。退火条件为：从90℃缓慢降至室温，整个过程持续12h。将三角形I和II用100kD的超滤柱提纯去掉过量的DNA链。然后，将三角形I和II按摩尔比1：1混合，在PCR中退火杂交，退火条件为：从45℃降至25℃为一个循环，共6个循环。本实验中所用的三角形DNA折纸是基于Rothemund 2006年的设计进行修改(Nature,2006,440,297-302.)，在7个位点延伸出了捕获链(5’-AAAAAAAAAAAAAAA-原始订书钉链序列-3’)，其捕获序列与后续DNA修饰金棒采用的序列互补。

利用晶种诱导生长法以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂，调控AgNO₃浓度制备金纳米棒(Chem Mater,2003,15(10):1957-62.)。具体方法如下：

a)晶种的合成。将10mL的浓度为100mM的CTAB加入20mL圆底烧瓶中，加入50μL浓度2％(w/v)HAuCl₄。在搅拌状态下迅速加入1000μL浓度为6mM预冷NaBH₄，搅拌均匀。待溶液颜色由无色变为茶色，停止搅拌，30℃水浴静置2h备用。

b)金棒的生长。在30mL圆底烧瓶中加入30mL浓度为100mM的CTAB和234μL 2％(w/v)HAuCl₄。在搅拌条件下，加入210μL浓度为10mM AgNO₃，搅拌均匀，在高速搅拌中加入144μL浓度为100mM的抗坏血酸和48μL晶种溶液。搅拌均匀后，将溶液置于30℃温水浴生长12h。

c)金纳米棒的纯化。将上述生长溶液加入15mL试管离心(8000rpm，30min)，弃上清，将沉于管底的纳米颗粒用超纯水重新分散并再次离心(3000rpm，30min)。弃上清液，将沉于管底的AuNR用20μL超纯水重新分散，利用紫外-可见分光光度计检测金纳米棒浓度。

利用巯基化DNA对于金纳米棒进行表面修饰，具体方法如下：

巯基化DNA(ACGCTTTTTTTTTTTTTTT-SH，100μM)用TCEP(20mM，200倍过量)还原6h，过量TCEP用G-25体积排阻柱离心去除。将纯化后的巯基化DNA(100μM)加入修饰缓冲液中(含0.01％(w/v)SDS，89mM Tris,89mM硼酸，2mM EDTA，500mM NaCl，pH 5-6)，在震荡时加入AuNR(100nM，AuNR:DNA＝1:1000)置于30℃温水浴进行修饰12h。修饰过夜后将修饰了DNA的金棒(AuNR-DNA)离心(8000rpm，30min)，弃上清，将沉淀用超纯水重新分散，重复上述过程，以去除过量的DNA。

DNA折纸结构与金纳米棒的组装：

DNA折纸结构经PCR程序控温组装后，利用截留分子量为100kDa离心柱纯化去除过量DNA。将DNA折纸结构和包覆了DNA的金棒(AuNR-DNA)以1:2的比例混合，置于PCR中退火杂交，制备金纳米棒-DNA折纸复合物。退火条件为：从45℃-25℃为一个循环，共30个循环，每℃为一个梯度，每梯度保持3min。

电泳纯化：制备1％琼脂糖胶，将包覆了DNA的金棒、DNA折纸和DNA折纸-金纳米棒加入胶孔中进行电泳，电泳环境为0.5×TBE缓冲液并含11mMMg²⁺。电泳结束后在白光下对凝胶进行拍照。在白光下切出目标条带，利用凝胶纯化柱4℃离心浓缩，结果如图1所示。

电镜：镀碳支持膜(铜网)经等离子体处理机辉光溅射，将7μL纯化后的DNA折纸-金纳米棒复合物沉积在铜网上，10min后吸弃，用0.7％醋酸双氧铀染色40s。吸弃染色液，待铜网完全干燥后进行透射电镜观测，电压为80kV，高反差模式进行拍照，结果如图2所示。

如图1所示，第一泳道为巯基化DNA修饰的金纳米棒，第三个泳道为DNA折纸-金纳米棒复合物；由图1可见装载金纳米棒后的核酸纳米结构具有清晰的电泳条带。如图2所示，DNA折纸-金纳米棒复合物电镜图，由图2可见，灰色的是菱形的DNA结构，黑色的是两根金棒，近似呈L型，DNA折纸-金纳米棒复合物形成良好，组装和纯化过程对DNA折纸-金纳米棒复合物没有不利影响，DNA折纸-金纳米棒复合物仍呈现菱形。

实施例2谷胱甘肽调节刺激响应型核酸纳米结构载体金纳米棒复合物的光学手性信号

在连接三角形I和II的控制链上引入二硫键，组装得到的菱形折纸结构与金纳米棒结合形成相应的复合物，将该复合物与不同浓度(1、5、10mM)的谷胱甘肽在25℃下孵育12h，然后进行电泳分离，检测复合物的解离情况；通过圆二色光谱检测复合物的光学变化。

采用圆二色谱表征：用Jasco J-1500的圆二色光谱仪进行样品的手性信号表征，仪器全程在氮气的保护下进行，扫描的温度是室温，波长范围是500-900nm，比色皿光程为0.5cm，扫速为200nm/min，结果如图3所示。

从图3可以看出，DNA折纸-金纳米棒复合物在金棒的等离子体共振峰处有明显的手性信号，但当加入还原性的谷胱甘肽后，手性信号随加入的谷胱甘肽浓度增加而降低，当加入10mM谷胱甘肽时，手性信号几乎完全消失，这表明L型的DNA折纸-金纳米棒复合结构几乎被完全降解成三角形折纸-金纳米棒。

实施例3限制性核酸酶EcoR V调节刺激响应型核酸纳米结构载体-金纳米棒复合物的光学手性信号

在连接三角形I和II的控制链上引入限制性内切酶的特异性识别的酶切序列将引入酶切序列的I和II组装得到的菱形折纸结构与与金纳米棒结合形成相应的复合物，将该复合物与EcoR V在37℃孵育1h后，进行电泳分离，检测复合物的解离情况；通过圆二色光谱检测复合物的光学变化。

采用圆二色谱表征：用Jasco J-1500的圆二色光谱仪进行样品的手性信号表征，仪器全程在氮气的保护下进行，扫描的温度是室温，波长范围是500-900nm，比色皿光程为0.5cm，扫速为200nm/min，结果如图4所示。

从图4可以看出，DNA折纸-金纳米棒复合物在金棒的等离子体共振峰处有明显的手性信号，但当加入限制性核酸酶EcoR V后，手性信号几乎完全消失，这表明L型的DNA折纸-金纳米棒复合结构几乎被完全降解成三角形折纸-金纳米棒。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。