构建光响应DNA纳米结构的方法技术

本发明专利技术提供了一种构建光响应DNA纳米结构的方法，包括下述步骤：步骤一，以缩水甘油为原料采用三步合成制备甘油连接偶氮苯的亚磷酰胺保护单体；步骤二，以亚磷酰胺保护单体为原料，通过DNA合成仪将偶氮苯插入到设计DNA序列中的指定位置，得到光敏DNA链；步骤三，将光敏DNA链与其他设计序列一起加入缓冲溶液体系，放入PCR仪(或保温杯)中进行退火，得到光响应DNA纳米结构；步骤四，通过原子力显微镜等手段观察DNA自组装纳米结构，在紫外光照射下，纳米结构完全或部分散开，在可见光照射下，纳米结构恢复。此方法可以方便的制备出光响应DNA纳米结构，实现了洁净、高效的光控纳米结构变化。

【技术实现步骤摘要】
构建光响应DNA纳米结构的方法
本专利技术属于DNA纳米材料领域，尤其涉及一种构建光响应DNA纳米结构的方法。
技术介绍
由DNA材料构筑的分子器件和纳米装置具有广泛的应用前景。一般DNA纳米机械装置可通过酶切、链置换等生物能形式驱动，也可以使用热、电或外加离子等形式驱动。由于光能源的安全、绿色、远程可控等优点，光控DNA材料成为理想的能量输入方式。现有技术中，主要通过两种手段实现光控DNA的解链与杂交，包括在DNA骨架以化学键楔入光敏分子影响碱基配对，或者外加光响应且影响DNA杂交的小分子。出于体系安全和单个分子效用方面的考虑，通过化学键在分子内嵌入功能分子明显优于物理添加。20世纪末，日本的Asanuma和Komiyama等利用苏氨醇骨架将偶氮苯官能团楔入DNA序列，通过照射不同波长的光，控制DNA双链的解链与杂交。由骨架楔入的偶氮苯在可见光下呈反式构型，可插入到碱基对层间空隙，虽然会导致双螺旋结构略有扭曲变形，但由于疏水性偶氮苯对堆积力的贡献，可以保持甚至提高DNA双螺旋结构的稳定性；而紫外光照后偶氮苯呈顺式构型，由于体积位阻的影响，导致碱基间氢键作用减弱，双螺旋结构容易被打开。但用掺杂偶氮苯控制较长DNA序列时，少量光功能分子无法有效实现光控，而插入多个功能分子后，由于双螺旋结构扭曲形变严重，双链杂交稳定性降低。而且苏氨醇楔入的偶氮苯常温下异构化比例低，光控能力弱，许多工作只能在相对较高的温度下进行，严重阻碍了偶氮苯类光响应DNA的应用。基于以上原因，2013年本专利技术人选择体积较小的甘油分子为骨架合成了新型偶氮苯掺杂DNA，减少楔入偶氮苯后双螺旋结构的扭曲变形；用醚键连接偶氮苯，提高光致异构化比例和光致解链效率；实现了室温下可逆光控解链，大大提高了光控效率；进一步研究实现了没有链消耗和副产物的光控可逆链置换，为光敏DNA自组装提供了新的材料。在这种新型光敏DNA材料的基础上，制备光响应DNA纳米结构，通过光控纳米结构变化，实现洁净、无创、高效的光刺激响应纳米结构变化，具有重大研究价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种构建光响应DNA纳米结构的方法，具体通过更改骨架和取代修饰偶氮苯合成新型光敏偶氮苯掺杂DNA链，实现在室温下高效光控DNA解链与杂交，然后通过序列设计，将光敏DNA链和其他辅助DNA链共同退火得到光响应DNA纳米结构。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：步骤一：以缩水甘油为原料采用三步合成制备甘油连接偶氮苯的亚磷酰胺保护单体；步骤二：以亚磷酰胺保护单体为原料，通过DNA合成仪将偶氮苯插入到设计DNA序列中的指定位置，得到光敏DNA链；步骤三：将光敏DNA链与其他设计序列一起加入缓冲溶液体系，放入PCR仪(或保温杯)中进行退火，得到光响应DNA纳米结构。上述制备得到的光响应DNA纳米结构，通过原子力显微镜等手段观察DNA自组装纳米结构，在紫外光照射下，纳米结构完全或部分散开，在可见光照射下，纳米结构恢复。进一步地，所述步骤一具体如下：第一步：在4-二甲氨基吡啶(DMAP)和三乙胺(TEA)催化下用4,4'-二甲氧基三苯基氯甲烷(DMT-Cl)与(R)-(+)-缩水甘油的端羟基反应，保护端羟基；第二步：用光功能分子4-羟基偶氮苯或二甲基偶氮苯使环氧基开环，由醚键链接到甘油另一端羟基，并暴露出仲碳原子上的羟基；第三步：用磷试剂保护仲碳原子上的羟基，得到亚磷酰胺酯化产物，即偶氮苯亚磷酰胺保护单体(以下称光敏单体，插入序列中称为光敏碱基)。进一步地，所述步骤二具体如下：在DNA合成瓶中将偶氮苯亚磷酰胺保护单体溶于干乙腈，将装有偶氮苯亚磷酰胺保护单体的小瓶与常规核苷酸dA，dG，dC和dT亚磷酰胺单体装在DNA合成仪上，通过DNA合成仪输入一个设计的DNA自组装序列进行合成。将合成后的产物先进行氨解，后在用聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)纯化。所述步骤二中设计的DNA自组装序列需在目标解链部分插入光敏单体，每条链最多可每隔2个常规碱基设计1个光敏碱基；为提高光敏碱基数量，也可以在杂交的两条链中分别插入光敏碱基。进一步地，所述步骤三具体如下：使用TAE-Mg2+缓冲溶液溶解光敏DNA链和其他DNA序列，并按照一定浓度混合，然后将混合的溶液在PCR仪中按设定程序退火，或放入盛有开水的保温杯中自然退火，得到光响应DNA纳米结构。进一步地，所述DNA纳米结构可为一维组装、二维组装或三维组装自组装纳米结构。结合上述实施例，在液相或气相状态下通过原子力显微镜可观察到明显的一维、二维或三维结构。用紫外光(365nm)照射样品5min，然后进行原子力显微镜检测，纳米结构完全或部分散开。用可见光(450-800nm)照射样品5min，然后进行原子力显微镜检测，纳米结构恢复。采用上述技术方案，本专利技术的有益效果在于：以较小的甘油分子为骨架，通过柔顺性的醚键楔入偶氮苯或二甲基偶氮苯，减少掺杂DNA与天然互补链杂交时的结构扭曲，提高偶氮苯官能团的光致异构化比例，从而改善光控解链效果。特别是对于长链DNA插入多个偶氮苯后，与天然互补链的杂交稳定性增加，实现在室温下高效光控DNA解链与杂交，为制备光响应DNA纳米结构提供了理想的光敏原料。在这种新型光敏DNA材料的基础上，可以方便的制备出光响应DNA纳米结构，实现了洁净、高效的光控纳米结构变化应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的专利技术主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的专利技术主题的一部分。结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本专利技术教导的前述和其他方面、实施例和特征。本专利技术的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本专利技术教导的具体实施方式的实践中得知。附图说明附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本专利技术的各个方面的实施例，其中：图1是根据本专利技术实施例1提供的方法得到的光响应一维DNA纳米结构，其中(a)为组装示意图(竖条灰色代表偶氮苯)；(b)为组装测试结果；(c)为紫外光照部分解构；(d)为紫外光照完全解构；(e)为可见光照结构恢复示意图。图2是根据本专利技术实施例2提供的方法得到的光响应二维DNA纳米结构，其中(a)为组装示意图(竖条灰色代表偶氮苯)；(b)为组装测试结果；(c)为紫外光照部分解构；(d)为可见光照结构部分恢复。图3是根据本专利技术实施例3提供的方法得到的光响应三维DNA纳米结构，其中(a)为组装示意图(竖条灰色代表偶氮苯)；(b)为组装测试结果；(c)为紫外光照部分解构；(d)为可见光照结构恢复。具体实施方式为了更了解本专利技术的
技术实现思路
，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。在本公开中参照附图来描述本专利技术的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本专利技术的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本专利技术所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种构建光响应DNA纳米结构的方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一：以缩水甘油为原料采用三步合成制备甘油连接偶氮苯的亚磷酰胺保护单体；步骤二：以亚磷酰胺保护单体为原料，通过DNA合成仪将偶氮苯插入到DNA自组装序列中的指定位置，得到光敏DNA链；步骤三：将光敏DNA链与设计序列一起加入缓冲溶液体系，然后进行退火，得到光响应DNA纳米结构。

【技术特征摘要】
1.一种构建光响应DNA纳米结构的方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一：以缩水甘油为原料采用三步合成制备甘油连接偶氮苯的亚磷酰胺保护单体；步骤二：以亚磷酰胺保护单体为原料，通过DNA合成仪将偶氮苯插入到DNA自组装序列中的指定位置，得到光敏DNA链；步骤三：将光敏DNA链与设计序列一起加入缓冲溶液体系，然后进行退火，得到光响应DNA纳米结构。2.根据权利要求1所述的构建光响应DNA纳米结构的方法，其特征在于，所述步骤一具体如下：第一步：在4-二甲氨基吡啶(DMAP)和三乙胺(TEA)催化下，用4,4'-二甲氧基三苯基氯甲烷(DMT-Cl)与(R)-(+)-缩水甘油的端羟基反应，保护端羟基；第二步：用光功能分子4-羟基偶氮苯或二甲基偶氮苯使环氧基开环，由醚键链接到甘油另一端羟基，并暴露出仲碳原子上的羟基；第三步：用磷试剂保护仲碳原子上的羟基，得到亚磷酰胺酯化产物，即偶氮苯亚磷酰胺保护单体。3.根据权利要求2所述的构建光响应DNA纳米结构的方法，其特征在于，所述步骤二具体如下：将步骤一所得偶氮苯亚磷酰胺保护单体溶于干乙腈，将装有光敏单体溶液的小瓶与常规核苷酸dA，dG，dC和dT亚磷酰胺单...

【专利技术属性】
技术研发人员：寇波，印珏，沈午枫，任少康，王袁杰，周浩南，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32