全 文 ：·特约综述· 2015, 31(4):120-133
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
DNA 作为遗传物质是生命体得以延续与传承
的重要组成部分，有趣的是，随着纳米技术的发
展，研究者也逐渐认识到 DNA 也是一种典型的纳
米材料。它的双螺旋直径约为 2 nm，螺距为 3.4-3.6
nm，而每个碱基的长度约为 0.34 nm［1］。双链 DNA
是一个刚性的高分子材料，其回转长度达 50 nm ；
而单链 DNA 则具有较大的灵活性。特别是 DNA 具
有出色的可编码性，可以根据碱基配对原则进行比
较精确的设计。这些特征使我们可以构造出变化多
样的纳米结构［2］。纽约大学的 Nadrian Seeman 教授
在 20 世纪 80-90 年代就提出可以用 DNA 分子组装
出纳米图形，并引领了整个 DNA 纳米技术领域的
发展［3］。
收稿日期 ：2015-02-04
基金项目 ：国家自然科学基金项目（B050902）
作者简介 ：俞洋，女，硕士，研究方向 ：DNA 计算及 DNA 纳米技术 ；E-mail ：daizy1111@hotmail.com
通讯作者 ：樊春海，男，博士，研究方向 ：生物传感、生物成像及 DNA 纳米技术 ；E-mail ：fchh@sinap.ac.cn
基于 DNA 自组装过程的纳米结构研究
俞洋1  李江2  张钊3  樊春海2
（1. 上海科技管理干部学院电子信息系，上海 201800 ；2. 中国科学院上海应用物理研究所，上海 201800 ；
3. 丹麦奥胡斯大学化学系，奥胡斯 8000）
摘 要 ： 基于 DNA 自组装的纳米结构在近年来取得了巨大的发展。回顾了 DNA 纳米结构的原理和发展历程，介绍了 DNA
纳米结构的特点和优势，对 DNA 纳米结构在生物检测、纳米反应器、可控排布、纳米机器人和药物递送领域的新进展和应用进行
了综述，并对 DNA 纳米技术的未来进行了展望。
关键词 ： DNA 折纸 ；纳米机器 ；纳米药物
DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.03.011
Advances on Self-Assembled DNA Nanostructures
Yu Yang1 Li Jiang2 Zhang Zhao3 Fan Chunhai2
（1. Department of Electronic Information，Shanghai Institute of Scientific Management，Shanghai 201800 ；2. Shanghai Institute of Applied
Physics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201800 ；3. Department of Chemistry，Aarhus University，Aarhus 8000，Denmark）
Abstract: Studies on self-assembled DNA nanostructures have achieved great progress in recent decades. In this article, we introduced
the general principles of DNA nanostructures and the history of their development. Their features and advantages are also summarized. Their
applications in biosensing, nanoreactors, nanoscale spatial arrangement, nanorobots, and drug delivery have been reviewed. The future of DNA
nanotechnology has also been prospected.
Key words: DNA origami ；nanomachine ；nanodrug
DNA 纳 米 技 术 在 近 20 年 来 得 到 了 迅 猛 的 发
展［4，5］。构造自组装 DNA 纳米结构有两种主要方
法， 包 括 Seeman 课 题 组 发 展 的 瓦 块（tile） 自 组
装［6，7］和 Paul Rothemund 博士发明的 DNA 折纸术
（DNA origami）［8］。本文将主要回顾 DNA 自组装纳
米结构的设计、制造及应用。
1 DNA 自组装纳米技术简介
构 造 自 组 装 DNA 纳 米 结 构 主 要 有 两 大 类 方
法。1998 年，Seeman 课题组发展了瓦块（tile）自
组装，使我们可以在原子力显微镜（Atomic force
microscope，AFM）下看到了 DNA 构造的二维网格
结构［6，7］。经过多年发展，利用瓦块自组装可以构
造出丰富多彩的纳米结构，包括一维线性排列［9］、
2015,31(4) 121俞洋等：基于 DNA自组装过程的纳米结构研究
二维平面网格、可寻址阵列、纳米纤维、三维多面
体乃至三维晶体［10］等。但是，这种类型的结构也
存在一些不足。例如，它们的组装依赖多条 DNA 链
间的精确互补配对，对各链的化学计量比和热力学
性质要求较严格，组装过程相对繁琐费时 ；而且，
由于受到瓦块单元的限制，它们的最终结构的复杂
程度也是很有限的。
2006 年， 加 州 理 工 学 院 的 Paul Rothemund 博
士发明了 DNA 折纸术（DNA origami），这一里程碑
式的技术使制作复杂 DNA 自组装结构的能力得到
极大提升［8］。DNA 折纸术本质上是一种成核自组
装（Nucleation assembly），这不同于瓦块自组装的
层次自组装（Hierarchical assembly）。其整个组装过
程是围绕若干成核点（或称成核链）一次进行而不
分步的。DNA 成核自组装的思想由来已久，然而当
Rothemund 基于这一思想，提出、设计、并实现了
DNA 折纸术［8］，研究者马上发现 DNA 折纸术生成
图形的复杂度较瓦块自组装至少提高了一个数量级，
而且其编码便捷、实验简单、反应快速，因而受到
了极大的关注。所谓“DNA 折纸术”，就是把一根长
的 DNA 单链像折一张纸一样，绑定并铺展成某个特
定形状。事实上，“折纸”并非很恰切的比喻，这种
技术更为类似织毛衣的过程（图 1-A）。Rothemund
使用的这根“毛线”（即成核长链）是 M13mp18 噬
菌体的单链 DNA，有 7 249 个碱基。Rothemund 将
这条成核链称为骨架链（Scaffold），而用来绑定骨架
链的互补短链则称为订书钉链（Staple）。Rothemund
设计的订书钉链大多数为 32 个碱基，以 8 个碱基为
一个单元。整个骨架链为 200 多条订书钉链完全互
补为双链，从而凝固成刚性的结构。DNA 折纸术产
生的图形复杂度远远超过了以前的绝大多数 DNA 自
组装结构。其像素点数目较之前的瓦块自组装至少
高 10 倍 ；单个折纸术图形分子量为 4.7 MDa，超越
了自然界最复杂的自组装机器——真核生物核糖体
（4.2 MDa）；而且折纸术可以一次产生 500 亿个拷贝
的图形。
Rothemund 在这篇里程碑论文中展示的图形均
为对称结构（图 1-B）。随后，上海交通大学和中国
科学院上海应用物理研究所的研究人员用 DNA 折纸
术构造了第一个非对称结构，即中国地图模拟图［11］
（图 1-C），丹麦奥胡斯大学则设计出了尾部可以活动
的海豚形状（奥胡斯大学的校徽，图 1-D）［12］。2009
年，多个课题组接连报道了三维 DNA 折纸术方面进
展。Andersen 等折出了一个六面体的空心盒子，而
且其中一个面还能通过链置换反应人为控制开闭（图
1-E）［13］；Ke 等［14］也用 DNA 折纸术得到了一个立
体结构——空心四面体（图 1-F）。Kuzuya 等［15］根
据前者得到了一个空心立方体，而且通过选择性加
入跨面订书钉链，可以控制立方体的整体构型。哈
佛大学的 William Shih 小组在提出了“蜂窝褶状模型”
（Honeycomb-pleated），构造了诸多三维图形，包括
块状巨石（多面体）、方形螺帽（有孔三维）、桥式
结构（细线连接）、细颈瓶（同向嵌套结构）、插槽
交叉（垂直向嵌套结构）、堆积交叉（垂直向堆积结
构）等（图 1-G）［16］。他们通过控制交叉处的间距，
进一步制造出整体扭曲或弯折的三维图形［17］。颜灏
的研究组［18］更是展示了精美的曲面三维纳米花瓶
结构（图 1-H）。
2012 年，哈佛大学的殷鹏与 Shih 教授的研究组
发表了一种类似于瓦块组装技术的 DNA“积木”组
装技术［19］。这种技术以 DNA 单链为“积木”，每个
积木上不同区域的序列可以与另外的“积木”上的
对应序列互补杂交。并且，由于 DNA 螺旋转角的确
定性，这样的单链积木在组装之后的构型也是确定
的。这样，在经过精心的序列设计之后，研究者们
可以像组装乐高积木一样将这些 DNA 单链组装为各
种三维几何体，包括三维的英文字母等有着复杂表
面的立体结构，展现了这一技术在几何构型上的几
乎无限的可能。这一方法不再需要多链组装的结构
单元，每一条 DNA 单链即是一个结构单元，最终结
构可由一步退火完成；同时，这种结构也是一种“去
中心化”的结构，不再受到 DNA 折纸术中骨架链的
长度和序列限制，在结构设计上更为自由。
2 DNA 纳米技术的应用
DNA 纳米技术不仅可以产生漂亮的图形，而
且还在很多领域具有重要应用价值。例如，Shih 课
题组［20］将 DNA 折纸术形成的纳米管作为介质，可
以在用核磁共振（NMR）测定膜蛋白结构中产生积
极作用。Steinhauer 等［21］基于荧光标记的 DNA 折
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.4122
纸图形发展出用于校准超分辨率显微镜的工具尺。
Rothemund 与 IBM 公司合作将 DNA 折纸术与光刻
技术结合起来，可以将折纸图形定向固定在宏观基
底上，实现了在宏观上对电子器件的纳米级精确排
布［22，23］。DNA 折纸术最大的优点是所有位点都可
以在其产生的结构上直接寻址，因而可以作为纳米
尺度可控排布的理想模板。以下将重点介绍基于这
种可控排布的若干应用。
2.1 生物分子检测
生物分子的检测对于疾病早期诊断、食品安全
乃至反恐方面都有着重要的意义。然而，常规方法
难以实现在纳米尺度的生物检测。DNA 折纸术则提
供了一种可以在纳米尺度操控生物分子识别的新方
法。2008 年，Ke 等［24］开发了 DNA 折纸芯片，通
过 V 字形探针的设计方式，能够在 AFM 下直接检
测到核酸杂交结果，从而实现对小 RNA 的灵敏检测
（图 2-A）［25］。Zhang 等［26］以 DNA 中国地图模拟图
为基底，制备了新型的无标记折纸芯片。这种芯片
由于本身是非对称图形，所以无需添加“索引”。
核酸适配体（Aptamer）是一类利用指数富集配
A B
C
E
G H
D
F
1 2
3 4
a b
42 nm
36 nm
33 nm
48 nm
34 nm
13.2 nm
40 nm
8.2 nm
18.1 nm
70
n
m
36 nm
d e
c
A ：DNA 折纸术的原理步骤［8］；B ：由 DNA 折纸术组装的二维对称图案［8］；C ：中国地图模拟图［11］；D ：尾部可活动的海豚图案［12］；E ：
可开盖的立方盒子［13］；F ：空心四面体结构［14］；G，H ：具有曲面的花瓶结构［18］
图 1 DNA 折纸术的研究进展
2015,31(4) 123俞洋等：基于 DNA自组装过程的纳米结构研究
基系统进化（Systematic evolution of ligands by expone-
ntial enrichment，SELEX）技术，从随机寡核苷酸文
库中筛选获得的能够与靶分子特异结合的短单链寡
核苷酸配体。由于 aptamer 本身也是核酸构成的，所
以在 DNA 自组装结构中应用非常方便。颜灏课题组
用核酸适配体实现了多种蛋白在同一个 DNA 折纸模
板上特异性可编码排布［27］。Rinker 等［28］则通过控
制核酸适配体的间距离，实现了高亲和力的多价结
合（Multivalent binding）。Lin 等［29］ 把 DNA 基 底 上
的核酸适配体用于检测，可以通过荧光信号检测溶
液中的特异蛋白。之后他们通过竞争机制造成 DNA
结构荧光颜色的变化，并用调色的办法来形成多种
颜色作为条形码，从而一次检验多种蛋白［30］。他们
还尝试用杂交链式反应（Hybridization chain reaction，
HCR）对信号进行放大，成功使检测灵敏度提高了
两个数量级［31］。2009 年，樊春海研究组［32］构建了
载带有针对不同靶标分子的核酸适配体的 DNA 四
面体“逻辑门”探针（图 2-B），当检测样本中出现
一种或多种靶标分子时，四面体的构象会因为核酸
适配体的构型变化而发生相应变化，从而产生不同
的荧光共振能量转移（Fluorescent resonance energr
transfer，FRET）效应，实现相当于与门、或门、与
非门等逻辑门的逻辑判定。并且，该逻辑门检测策
略还可用于对细胞内的靶标分子的检测。
2.2 DNA纳米机器人
发展可以在纳米尺度运动的机器人是纳米技术
的目标之一。DNA 折纸术同样提供了一个强大的平
台用于纳米机器人的研究。自 20 世纪 90 年代以来，
已有多种动态 DNA 纳米机器被相继报道［33，34］。它
们还可采用金属离子［35］、质子［36，37］、DNA 链或酶
反应［38-40］驱动。例如，Gu 等［41］把两种 DNA 纳米
结构元件插入带两个卡槽的 DNA 折纸图形中，于
是两个元件就有 4 种可能的状态组合。他们设计出
在每种组合下两个器件都能共同捕获一个特异的识
别分子，从而用 AFM 确认了这个动态系统的正常工
作（图 2-C）。之后，Gu 等［42］在一个阶梯状折纸基
底上依次放 3 个卡槽，并设计了一个三臂四足的机
器人。机器人在基底上运动，行进过程中通过判断
3 个卡槽的状态来决定是否接纳对应的货物。他们
用 3 种纳米金粒子作为货物，并在透视电子显微镜
（Transmission electron microscope，TEM） 下 观 察 纳
米金的排布形状，结果显示能特异的得到 8 种货物
组合的任意一种（图 2-D）。这样就形成了一个迷你
的纳米组装生产线。DNA 纳米机器人中的另一个经
典工作是一种在折纸图形表面行走的分子蜘蛛［43］。
该“蜘蛛”的模型是由 Pei 等［44］开发出来，它的“身
子”是一个四价链霉亲和素，三只脚的序列包含一
段核酶，核酶对杂交基底的切割是“蜘蛛”行进的
关键。研究者在折纸术上构造了一系列连续的路径，
然后用 AFM 来捕捉“蜘蛛”的移动，这可以说是一
个真正意义上的分子机器人［45］。
2.3 DNA纳米反应器
化学反应的速率在很大程度上取决于溶液中分
子的碰撞几率。因此，如果能够将两个分子或基团
的空间位置拉近，形成一种反应中心或活性域，那
么就可以极大提高化学反应的效率。用 DNA 纳米
结构作为模板来组织引导化学反应（DNA-directed/
templated reaction），从而构建纳米生物反应器，是
一个新兴的研究方向［46-48］。
丹麦奥胡斯大学 CDNA 中心的 Gothelf 组开发了
一种称为线型 DNA 模块（linear/tripoidal oligonucleot-
ide functionalized modules，LOM） 或 三 岔 型 NDA
模 块（tripoidal olgonucleotide functinalized module，
TOM）。LOM 的核心是一段 3 苯环串联［49］（也可以
5 苯环［50］）的有机结构，两端两个苯环上面各有
一个半 salen 的结构域，此外还各连有一条 DNA 单
链。如果把每个 LOM 看做一个构件，那么构件间就
通过两侧的 DNA 链互补连接，形成一维线性产物。
由于设计的互补链修饰位置是相反的，所以在该产
物中，两个半 salen 结构域恰好“顶在一起”，此时
当加入锰盐和乙二胺，将发生 metal-salen 反应，使
得瓦块间不仅依靠 DNA 杂交相连，而且苯环部分
也“粘”在了一起。研究发现，此时即使把 DNA 链
切断（通过引入二硫键），线性结构依然牢固［51］。
这样，整个过程就相当于借助 DNA 的配对来诱使
其他有机结构的聚合，而且由于苯环骨架和 metal-
salen 配合物都是共面的，这为将来制造纳米线路提
供了新的思路［52］。TOM 与 LOM 原理相同，只不过
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.4124
TOM 是个三臂结构，能够形成更复杂的二维组装产
物［53］。另外，核心的 metal-salen 反应也可以替换为
酸性环境的还原胺化反应（Reductive amination，产
物为 Tetrahydrosalen），产物甚至更稳定［54］。除了
LOM/TOM 模块，该小组最近还用 DNA 双链［55］或 4
螺旋束 tile（4HB）［56］来控制有机棒（Organic rods）
的耦合，其距离已精确到双螺旋内的两条单链。
以色列希伯来大学的 Willner 课题组在金电极
上伸出单链 DNA 作为模板，然后在中间和末端的两
个位置分别结合连有不同反应基团的两条 DNA。不
同的基团排列顺序、不同的基团与电极间距离，导
致了电流强度的改变，据此检测和验证结果。参与
的反应包括葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOx）-
二茂铁、GOx-MP11（微过氧化物酶 -11）等生物电
催化反应［57］，CdS 纳米颗粒 -relay（类似“继电器”
作用的分子）、光敏剂（Ru2+）-relay 等光电化学反
应［58］，荧光基团与 QD 的 FRET 反应［59］等。有的
还通过加入酶等实现了可逆反应［59］。他们的另一个
工作是用 DNA 自组装得到特定的结构，然后在相邻
孔洞内修饰不同辅酶（实际使用两套辅酶对，分别
是 GOx-HRP 和 GDH-NAD+）。由于辅酶对离得很近，
所以能够形成级联反应，反应效率比没有 DNA 模板
时高出很多，说明 DNA 网格确实起着拉近距离的作
用（图 2-E）［60］。他们又把这套体系移植到 DNA 纳
米线上，纳米线是先由 4 条 DNA 组成圆形结构，然
后借助可卡因分子组装而成。相邻 tile 上分别修饰
GOx 和 HRP，其反应效率比没有 DNA 模板或可卡
因时高 6 倍以上［61］。
在 Gothelf 与樊春海研究小组的合作研究中［62］，
他们则用 DNA 折纸结构作为模板固定 GOx 与 HRP。
这一结构不但能精确控制两种酶分子之间的距离，
还能在展开的二维平面与卷曲的三维管状结构之间
变换（图 2-F）。研究结果表明，这样的结构变化能
明显影响到双酶系统反应的效率。当酶分子被卷入
DNA 纳米管结构内部后，反应效率明显增强。研究
者们认为这是对自然界细胞内部受限空间内发生的
生化反应的一种模拟，在这样的限域空间内，酶分
子与反应各组分的局域浓度较高，因此，尽管其在
宏观尺度上的平均浓度很低，但也能获得较高的反
应效率。根据这样的机制和策略，人们可以更好地
效法自然界设计和构建高效的纳米生物反应器。
2.4 无机纳米材料可控排布
DNA 纳米结构具有精确可控的优势，然而 DNA
本身缺乏明显的光电效应，因而难以在光学或电子
学领域发挥作用。幸运的是，DNA 纳米结构可以引
导具有光电效应的无机纳米粒子的精确排布，从而
制备出具有可控光电性质的纳米结构。
2.4.1 纳米金粒子 纳米金粒子（Au nanoparticle）
在水中形成的分散系俗称胶体金，金颗粒可与氨基
发生非共价的静电吸附而牢固结合，与巯基之间
形成很强的 Au-S 键，后者也是最常用的纳米金与
DNA 的结合方式。2004 年，Seeman 小组率先用杂
交法实现了纳米金的条纹排列［63］，之后他们又完成
了两种大小纳米金的有序交叉排列［64］。利用类似的
方法，Hung 等［23］和 Gerdon 等［65］想在“已特异吸
附在固相表面的折纸图形”上进一步修饰纳米金时，
Ding 等［66］和 Pal 等［67］在 DNA 折纸三角形上线性
排列纳米金。Sharma 等［68］则把硫醇修饰的 DNA 改
为用酯化的硫辛酸修饰，从而与金的结合由一个硫
键变为了两个硫键，进而显著提高了这种方法的产
率。他们在折纸术矩形的两个位置特异的连接了两
个金球，效率高达 90% 以上。
除了可以在 DNA 模板上排布金球，还能实现
在 DNA 上 生 长 金 球。Stearns 等 利 用 无 机 结 合 肽
（Inorganic binding peptides，IBPs）对金离子的成核
作用，先用杂交法把 IBP 连接到纳米管上，再加
入 AuCl4 使成核，最终也得到了纳米金颗粒的一维
排布［69］。纳米金不但能被 DNA 排布，有时候它还
会反作用于自组装图形。2009 年，Sharma 等［70］在
DX lattice 中修饰纳米金，由于所使用的金球直径大
于 DNA 结构上金球连接位点的平面距离，于是金球
的斥力使得平面 array 卷曲成纳米管状，且通过控制
金球大小可以控制得到的纳米管构型（图 2-G）。
2.4.2 碳纳米管 碳纳米管（Carbon nanotubes）是
由一层或多层石墨按照一定方式卷曲而成的具有管
状结构的纳米材料。自从 1991 年日本科学家 Sumio
Iijima 发现碳纳米管以来［71］，碳纳米管以其优异的
热学、力学以及光电特性［72］受到了多个领域研究
者的广泛关注［73，74］，并实现了多种应用［75，76］。对
2015,31(4) 125俞洋等：基于 DNA自组装过程的纳米结构研究
Index
A B
D C2 C3
PX JX2
PX JX2
PX JX2PX PX
JX2 PX JX2 JX2
JX2 JX2 JX2 JX2
JX2 JX2
JX2 JX2
JX2
JX2
C1
C2 C3
PX JX2 JX2
C1
C3
PX PX JX2
C1
C3
PX PX JX2
C2
C2
C1
C2
C1
C3
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
C3
C1
PXPXPX
PX
1
2
3
4
4˃
3˃ 66 5˃6˃ 77 8˃7˃ 2˃1˃PXPX PXPX C2 C3C1C1
C1
C1
C1
C1 C2
C2
C2
C2
C2
C3
C3
C3
C3
C3
PX
PXPX
PXPX
PX
PX
C i iiiii ivv vi i ii i*ii*iii*iv*v*vi* iiiiiiivvviiii ivv vi
E Glucose
Glucose
GOx
GOx
O2
O2
H2O2
H2O2
H2O
HRP
H2O2
H2O2
H2O2
H2O2
H2O
ABTS
O
O
OSO N NN N OOS S SHRP ABTS2=ABTS2
ABTS
ABTS2Gluconicacid
Gluconic
acid
15 nm
100 nm 100 nm
G
Self-Assembly
F
Scaffold
Helper
Probe
Target
AFM cantilever
Stiffened probe with target Rhodamine
Green DABCYL
ATP
Hg2+
H+
OH
100 nm
100 nm
100 nm
100 nm100 nm
100 nm
100 nm
A：用于 RNA 检测的 DNA 折纸芯片［24］；B：利用构型变化检测目标分子的 DNA 四面体逻辑门探针［32］；C：DNA 折纸上的 DNA 纳米机器人［41］；
D ：可以装载纳米金货物在 DNA 折纸轨道上行走的机器人［42］；E ：利用环状 DNA 纳米结构调控酶分子距离的纳米反应器［60］；F ：利用
不同形态研究限域空间酶反应效率的 DNA 折纸反应器［62］；G ：DNA 折纸上的纳米金颗粒尺寸对管状折纸形态的影响［70］
图 2 DNA 纳米结构的代表性应用
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.4126
于特定的碳纳米管，控制其属性甚至功能化的关键，
在于对其进行特定的组装与排布。用 DNA 来识别、
筛选、组装、排列碳纳米管，需要解决把 DNA 与
CNT 连接起来的问题。2002 年，Dwyer 等［77］发明
了在 DNA 末端修饰氨基，再与碳纳米管末端连接的
方法［78］。他还据此提出了用 DNA 排布碳纳米管的
通用思路、设计和算法。碳纳米管除了末端可以修
饰 DNA，其侧壁也是很好的结合部位。例如，Han
和 Deng 等［79］在碳纳米管上缠绕了修饰有硫醇的
DNA，然后加入不同大小的纳米金，使金一维排列
在碳纳米管上。
2009 年，Maune 等［80］ 在一个连有 tile 长带的
折纸矩形上特异交叉排布了两根碳纳米管。他们先
用保护链把碳纳米管上用于杂交的序列局部封闭，
然后与带有探针的矩形 DNA 折纸混合，可以使碳纳
米管结合在折纸基底上。他们发现用这种方法可以
产生具有场效应晶体管（FET）特性的器件。这种
用 DNA 排布碳纳米管来制作纳米电路的方法尽管目
前效率不高，但其精确性和并行性却是传统光刻技
术所不能比拟的。
2.5 药物递送
众所周知，在当今人类面对癌症等多种重大疑
难疾病的挑战时，传统的药物存在着诸多亟需克服
的缺点，而新药的开发又代价高昂。为了改善这些
既有药物的性能，发展合适的药物递送系统就成为
了当前生物医药领域的迫切需求和研究热点。近几
十年来，随着纳米技术的兴起，多种纳米材料都被
用于药物递送的研究，如阳离子脂质体、聚合物、
各种金属纳米颗粒、碳纳米管等。但是，这类载体
通常存在不容忽视的安全问题，如细胞毒性和脏器
累积毒性等。而 DNA 纳米结构作为近年来兴起的
一类新型的纳米材料，在生物医学领域也有着其它
材料不可比拟的优势 ：（1）DNA 本身作为生命的遗
传物质材料普遍存在于生物体内，而外源 DNA 在
生物体内则可被降解利用，因此几乎没有生物相容
性、细胞毒性和累积毒性的问题。（2）DNA 分子合
成和化学修饰技术已经较为成熟和商业化，便于我
们在 DNA 纳米结构上进行各种功能化修饰，从而拓
展 DNA 纳米结构的功能，并且能在同一个结构上实
现多种功能的组合。作为药物载体，这样的特点有
利于实现药物靶向、多药物协同载运和药物控制释
放等功能。（3）更重要的是，由于 DNA 基于碱基互
补配对带来的精确性和可编程性，我们可以对 DNA
纳米结构的外形、尺寸、价态等性状进行精确调控，
获得高度定制化和有序化的“智能”载体，最终实
现诊疗一体化的“纳米医生”。
但是，DNA 纳米结构用作药物载体还有一大关
键问题，带负电荷的 DNA 分子在形成纳米结构之
后，能否穿过同样带负电荷的细胞膜进入细胞。在
常规的细胞转染核酸分子的操作中，我们通常需要
带正电荷的转染试剂（主要是阳离子脂质体聚合
物）帮助外源核酸分子被细胞摄取。但是，2011 年，
Turberfield 团队［81］和樊春海研究组［82］都观察到，
纳米 DNA 四面体结构可在不需要借助任何特异配体
或转染试剂的情况下被活细胞摄取。Sleiman 团队［83］
也报道了滚环扩增（RCA）组装的管状 DNA 纳米
结构有较高的细胞摄取率。这些研究表明，与非结
构化的线性核酸分子不同，有一定刚性和密实度的
DNA 纳米结构本身可被细胞主动摄取。樊春海研究
组对荧光标记的 DNA 四面体为研究对象进行了单颗
粒追踪，观察了它被哺乳细胞摄取的过程，说明了
该类型 DNA 纳米结构可以通过能量依赖的细胞主动
摄取进入细胞［84］。这些研究结果为 DNA 纳米结构
直接作为药物递送载体的可能性提供了支持。以下
介绍 DNA 纳米结构在药物递送领域的一些应用。
2.5.1 小分子药物递送 小分子药物，尤其是像阿
霉素、顺铂、紫杉醇这样的肿瘤治疗药物，通常对
机体正常组织和细胞也有很高的毒性，副作用极强。
并且，反复使用这类药物容易使目标肿瘤细胞产生
多药耐药性（MDR），降低药物的治疗效果。因此，
发展这类针对小分子药物的药物递送系统，改善这
类药物的缺陷就显得很有意义。例如，阿霉素就是
这类药物中的一个典型代表，它可以通过嵌入 DNA
双螺旋结构抑制其复制和表达，因此对肿瘤细胞有
明显的杀伤效果。然而，它的选择性较差，有明显
的毒副作用，也容易因为细胞的耐药性而失去效果。
值得注意的是，由于阿霉素具有可嵌入 DNA 双链的
特性，DNA 纳米结构就显得尤其适合用于阿霉素转
运。在这一研究方向，丁宝全教授的研究组已经取
2015,31(4) 127俞洋等：基于 DNA自组装过程的纳米结构研究
得了较大的进展［85，86］，他们利用 DNA 折纸结构实
现了对阿霉素分子的高效装载（图 3-A）。研究表明，
DNA 折纸结构可以将阿霉素分子释放到具有耐药性
的肿瘤细胞内，从而杀死那些在同等浓度条件下游
离阿霉素分子无法杀死的肿瘤细胞。并且，在动物
实验中，这些载带阿霉素的 DNA 折纸结构可以通
过肿瘤的“穿透性与滞留性增强”（EPR）效应聚集
在小鼠的肿瘤部位，从而有效地抑制肿瘤生长。而
Hogberg 团队［87］则研究了不同扭转角度的 DNA 折
纸结构转运阿霉素到 3 种不同的乳腺癌细胞系中的
效果。他们发现，通过调节 DNA 结构的扭转角度可
以调节药物的载带量及药物的释放动力学，实现可
预定义的药物释放。
2.5.2 核酸分子递送 与小分子药物相比，核酸分
子药物，如 CpG（“胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤”）核酸、
反义核酸（如反义 DNA、小干扰 RNA、微小 RNA
等）、核酸适配体（Aptamer）等，因其较高的选择
性和较低的副作用，显示出了良好的临床应用前景。
这些核酸药物的传统递送策略包括对核酸分子进行
化学修饰、利用阳离子转染试剂帮助其进入细胞等。
近年来，用 DNA 纳米结构来载带核酸分子也了吸引
研究者们的关注。因为，载体与载荷都是核酸分子，
它们之间只需要通过碱基互补配对就可以很便利地
进行杂交连接，这就省却了将载体和载荷分子进行
化学偶联的麻烦。与通过非共价吸附载带药物的方
式相比，这样的连接又可以对核酸药物分子的空间
排布进行更精确的控制，使其作用更具确定性。例
如，研究发现，未甲基化的“胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤”
（CpG）序列的寡核苷酸可被哺乳动物免疫细胞识别
并激活免疫应答反应，因此可以作为一种有效的免
疫激活药物或疫苗佐剂用于各种免疫相关疾病（包
括传染疾病、癌症等）的治疗。然而，在生理条件下，
天然的 CpG 寡核苷酸会很容易被核酸酶降解，也很
难直接进入细胞达到目标位置发挥作用。因此，近
年来，研究者们报道了多种利用 DNA 纳米结构载带
CpG 寡核苷酸的策略。这其中包括 ：Nishikawa 等采
用的 Y-形［88］、X-形等“多足形”DNA 结构［89］ 和
以这些结构为单元组装的更大尺度的树枝状结构［90］
乃至水凝胶结构［88］，樊春海研究组［82］和颜灏研究
组［91］相继报道的 DNA 四面体结构（图 3-B），以及
更大尺度的基于 DNA 折纸术的纳米管［92］、纳米带［93］
等结构。这些研究工作的结论表明，与游离的 CpG
核酸分子相比，引入 DNA 纳米结构之后，CpG 核酸
的稳定性普遍增加了，免疫细胞对于 CpG 核酸的摄
取效率显著提高了，对于细胞的免疫激活能力也大
大增强了。这种性能改变与 DNA 纳米结构带来的尺
寸变化相关。因此，DNA 纳米结构对于 CpG 核酸而
言无疑是一种较为理想的载体。此外，DNA 纳米载
体在载带 CpG 核酸的同时还可以共载运其它的药物
分子，如疫苗［91］（图 3-C）和阿霉素［88］，发挥 CpG
免疫佐剂的功能来强化其它药物的效力，获得了比
单独使用这些药物更好的效果，为多药物共递送和
联合治疗提供了借鉴。
另外一类引起广泛重视的核酸药物是小干扰
RNA（siRNA），这类 RNA 分子可以有选择性且高
效率地沉默目标基因的表达，即 RNA 干扰（RNAi）
作用，因此在基因治疗领域被寄予厚望。但是，未
经化学修饰的 RNA 分子同样存在极易被降解、体
内半衰期很短，难以进入细胞等难题。2012 年，来
自哈佛医学院的 Anderson 教授等研究者们成功地将
DNA 四面体作为载体载带 siRNA 进入小鼠体内的肿
瘤细胞当中，并实现了靶向基因的沉默（图 3-D）。
在他们的策略当中，siRNA 通过序列互补杂交连接
到四面体侧面伸出的 DNA 手臂链上，其诱导 RNA
干扰的效果依然不受影响，说明了 DNA 纳米结构用
于 siRNA 载带的可行性。
2.5.3 “智能化”药物递送 除了起到保护并帮助药
物分子到达靶位点的作用之外，理想的药物递送载
体还应该更加“智能化”，能够实现药物靶向递送并
根据环境因素或外部刺激控制药物释放，最终成为
“诊断-治疗一体化”的“纳米医生”。近年来，DNA
自组装纳米结构在这一领域也逐渐崭露头角。
载体的主动靶向性，通常是通过在载体上偶联
适当的配体，如多肽、抗体、核酸适体等实现的。
这些配体能与靶细胞内部或表面的一些高表达的受
体结合，从而使得载体在该细胞处有选择性地富集
并发挥作用。因为 DNA 纳米结构的高度可编程性和
可寻址性，DNA 纳米结构可以精确控制靶向配体在
其结构上的空间排布、朝向和密度等参数，因此尤
其适合用于靶向性载药的研究。在 DNA 四面体用于
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.4128
siRNA 递送的研究工作中［94］，研究者们引入了叶酸
分子作为靶向配体，因为叶酸受体在许多癌细胞系
中都是过量表达的。研究结果表明，这些叶酸修饰
的 DNA 载体展现出很强的靶向效应，能够有选择性
地在肿瘤中富集并产生基因沉默效果 ；而未修饰叶
酸分子或者叶酸分子朝向不合适的载体则不能发挥
预期的效果。谭蔚弘教授的研究组［95，96］则利用带
有核酸适配体序列的 DNA 纳米自组装结构载运阿霉
素或反义核酸，使药物获得了针对特定的白血病细
胞株的靶向性（图 3-E）。
另一方面，依赖单一的受体-配体相互作用带来
的靶向性，其选择性往往是不足的，这就需要引入
A B
C D
E
Functional domains Connector
B cell
T cell
DC/macrophage
Tumor cells
Cell uptake
Dox / origami
Doxorubicin
Intercalation
Cell uptake TLR9 induced
immunostimulation
Cytokines
siRNA
DNAഋ䶒փ ӵsiRNA DNAഋ䶒փ
ഋ䶒փঅ䬮DNA origamiAnnealingM13mp18 StaplestrandsdsDNAdsDNAintercalated
by
doxorubicin
Cell uptake
AptNAs
Building unit
hv
Self-assembly
F
A ：DNA 折纸结构用于阿霉素的载带 ；B ：DNA 四面体结构用于 CpG 核酸的载带［82］；C ：四面体共载运 CpG 与疫苗分子［91］；D ：四面体载
运叶酸分子和 siRNA 抑制小鼠肿瘤生长［94］；E ：通过核酸适配体使 DNA 纳米结构载体获得针对特定细胞的靶向性［96］；F ：由核酸适配体构
成的逻辑门控制 DNA 折纸结构的开合实现可控药物释放［97］
图 3 DNA 纳米自组装结构在药物递送领域的应用研究
2015,31(4) 129俞洋等：基于 DNA自组装过程的纳米结构研究
多个判定条件增加靶向的可靠性。于是，“逻辑门”
对多个条件进行判定的原理就可以被研究者们用到
靶向可控的药物释放上，这就是“智能药物”的思
路。而 DNA 纳米结构的众多优点也为构造这样的智
能递送系统提供了可能。2012 年，Church 研究组［97］
的研究者们利用一种可开合的 DNA 纳米匣子实现了
由逻辑门控制的药物载体。这个匣子由两个包含了
不同核酸适配体的“锁扣”控制，只有当环境中这
两种核酸适配体所针对的靶标分子——相当于两把
钥匙——同时存在并触发核酸适配体的构型变化时，
两个锁扣才能打开，从而使匣子内部的载荷分子得
以暴露在外（图 3-F）。这样，研究者们获得了一种
由逻辑“与”门控制的，只有当两种条件同时满足
时才能触发药物分子释放的智能药物载体。这种开
合自如的出众特色得益于 DNA 纳米结构的精确可控
性，这一成果展示了 DNA 纳米结构在智能化药物领
域的巨大潜力。
3 结语
综上可见，DNA 纳米技术在近 20 年间获得了
飞跃式的发展。从技术演进趋势来看，基于 DNA
自组装人工构建的结构已经从简单的一维或无定型
结构发展到了精确可定义的复杂三维结构，从静态
结构发展到了可控的动态结构，研究者们也从最初
单纯的结构设计逐渐向功能探索方向深入。在对于
DNA 纳米结构的功能研究上，从对其它材料或分子
的空间排布的控制，到纳米反应器的构建，再到智
能化的分子诊断和药物递送，DNA 纳米技术也走过
了一条优美的发展路径。目前，DNA 纳米技术的广
泛应用还面临一些挑战。例如，DNA 大规模合成的
成本仍然偏高，组装复杂 DNA 纳米结构的纯度和
产率还有待提高［98］。但是，我们认为，凭借化学
合成技术和生物技术的发展进步，DNA 微阵列合成
术［99］和细胞内的 DNA 生物合成［100］这样的手段可
以为 DNA 纳米结构的组装提供新的方法，改进后的
电泳［101］、超速离心［102］和高效液相色谱等手段［103］
也可以用于优化 DNA 纳米结构的产率，更加精巧、
复杂、智能化的 DNA 纳米结构还将层出不穷。并且
为克服这些挑战付出的努力也是值得的，因为 DNA
纳米结构的尺度正好处于生物大分子相互作用产生
复杂生命活动的尺度范围内，在可以预见的未来，
我们相信 DNA 纳米技术本身也还将更加紧密地与生
物医学、系统生物学与合成生物学相互交叉结合，
使人们通过对 DNA 结构的设计更加深入地介入到生
命活动最基本的层级当中，从而帮助人们更加深刻
地理解生命活动的机制。
参 考 文 献
［1］Seeman NC. Nanotechnology and the double helix［J］. Sci Am,
2004, 290（6）：64-75.
［2］Somoza Á. Evolution of DNA origami［J］. Angew Chem Int Ed,
2009, 48（50）：9406-9408.
［3］Weiss PS. A conversation with Prof. Ned Seeman ：founder of DNA
nanotechnology［J］. ACS Nano, 2008, 2（6）：1089-1096.
［4］Seeman NC. Structural DNA nanotechnology ：growing along with
Nano Letters［J］. Nano Lett, 2010, 10（6）：1971-1978.
［5］LaBean TH. Nanotechnology ：Another dimension for DNA art［J］.
Nature, 2009, 459（7245）：331-332.
［6］Yang X, Wenzler LA, Qi J, et al. Ligation of DNA triangles
containing double crossover molecules［J］. J Am Chem Soc, 1998,
120（38）：9779-9786.
［7］Winfree E, Liu F, Wenzler LA, et al. Design and self-assembly of
two-dimensional DNA crystals［J］. Nature, 1998, 394（6693）：
539-544.
［8］Rothemund PWK. Folding DNA to create nanoscale shapes and
patterns［J］. Nature, 2006, 440（7082）：297-302.
［9］Kuzuya A, Wang R, Sha R, et al. Six-helix and eight-helix DNA
nanotubes assembled from half-tubes［J］. Nano Lett, 2007, 7（6）：
1757-1763.
［10］Zheng JP, Birktoft JJ, Chen Y, et al. From molecular to macroscopic
via the rational design of a self-assembled 3D DNA crystal［J］.
Nature, 2009, 461（7260）：74-77.
［11］Qian L, Wang Y, Zhang Z, et al. Analogic China map constructed
by DNA［J］. Chin Sci Bull, 2006, 51（24）：2973-2976.
［12］Andersen ES, Dong M, Nielsen MM, et al. DNA origami design
of dolphin-shaped structures with flexible tails［J］. ACS Nano,
2008, 2（6）：1213-1218.
［13］Andersen ES, Dong M, Nielsen MM, et al. Self-assembly of a
nanoscale DNA box with a controllable lid［J］. Nature, 2009, 459
（7243）：73-76.
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.4130
［14］Ke Y, Sharma J, Liu M, et al. Scaffolded DNA origami of a DNA
tetrahedron molecular container［J］. Nano Lett, 2009, 9（6）：
2445-2447.
［15］Kuzuya A, Komiyama M. Design and construction of a box-shaped
3D-DNA origami［J］. Chem Commun, 2009, 28 ：4182-4184.
［16］Douglas SM, Dietz H, Liedl T, et al. Self-assembly of DNA into nan-
oscale three-dimensional shapes［J］. Nature, 2009, 459（7245）：
414-418.
［17］Dietz H, Douglas SM, Shih WM. Folding DNA into twisted and
curved nanoscale shapes［J］. Science, 2009, 325（5941）：725-
730.
［18］Han D, Pal S, Nangreave J, et al. DNA origami with complex
curvatures in three-dimensional space［J］. Science, 2011, 332
（6027）：342-346.
［19］Ke Y, Ong LL, Shih WM, et al. Three-dimensional structures self-
assembled from DNA bricks［J］. Science, 2012, 338（6111）：
1177-1183.
［20］Douglas SM, Chou JJ, Shih WM. DNA-nanotube-induced alignment
of membrane proteins for NMR structure determination［J］. Proc
Natl Acad Sci, 2007, 104（16）：6644-6648.
［21］Steinhauer C, Jungmann R, Sobey TL, et al. DNA origami as a
nanoscopic ruler for super-resolution microscopy［J］. Angew
Chem, Int Ed, 2009, 48（47）：8870-8873.
［22］Kershner RJ, Bozano LD, Micheel CM, et al. Placement and
orientation of individual DNA shapes on lithographically patterned
surfaces［J］. Nat Nanotechnol, 2009, 4（9）：557-561.
［23］Hung AM, Micheel CM, Bozano LD, et al. Large-area spatially
ordered arrays of gold nanoparticles directed by lithographically
confined DNA origami［J］. Nat Nanotechnol, 2010, 5（2）：121-
126.
［24］Ke Y, Lindsay S, Chang Y, et al. Self-assembled water-soluble
nucleic acid probe tiles for label-free RNA hybridization
assays［J］. Science, 2008, 319（5860）：180-183.
［25］ Kaganman I. An origami chip of DNA［J］. Nat Methods, 2008, 5
（3）：222.
［26］Zhang Z, Wang Y, Fan C, et al. Asymmetric DNA origami
for spatially addressable and index-free solution-phase DNA
chips［J］. Adv Mater, 2010, 22（24）：2672-2675.
［27］Chhabra R, Sharma J, Ke Y, et al. Spatially addressable
multiprotein nanoarrays templated by aptamer-tagged DNA
nanoarchitectures［J］. J Am Chem Soc, 2007, 129（34）：
10304-10305.
［28］Rinker S, Ke Y, Liu Y, et al. Self-assembled DNA nanostructures
for distance-dependent multivalent ligand-protein binding［J］.
Nat Nanotechnol, 2008, 3（7）：418-422.
［29］Lin C, Katilius E, Liu Y, et al. Self-assembled signaling aptamer
DNA arrays for protein detection［J］. Angew Chem Int Ed, 2006,
45（32）：5296-5301.
［30］Lin C, Liu Y, Yan H. Self-assembled combinatorial encoding
nanoarrays for multiplexed biosensing［J］. Nano Lett, 2007, 7（2）：
507-512.
［31］Lin C, Nangreave JK, Li Z, et al. Signal amplification on a DNA-
tile-based biosensor with enhanced sensitivity［J］. Nanomed,
2008, 3（4）：521-528.
［32］Pei H, Liang L, Yao G, et al. Reconfigurable three-dimensional
DNA nanostructures for the construction of intracellular logic
sensors［J］. Angew Chem Int Ed, 2012, 51（36）：9020-9024.
［33］Krishnan Y, Simmel FC. Nucleic acid based molecular
devices［J］. Angew Chem Int Ed, 2011, 50（14）：3124-3156.
［34］Wang F, Lu CH, Willner I. From cascaded catalytic nucleic acids to
enzyme-DNA nanostructures ：controlling reactivity, sensing, logic
operations, and assembly of complex structures［J］. Chem Rev
（Washington, DC, U S）, 2014, 114（5）：2881-2941.
［35］Mao CD, LaBean TH, Reif JH, et al. Logical computation using
algorithmic self-assembly of DNA triple-crossover molecules［J］.
Nature, 2000, 407（6803）：493-496.
［36］ Liu D, Balasubramanian S. A proton-fuelled DNA nanomachine
［J］. Angew Chem Int Ed, 2003, 42（46）：5734-5736.
［37］Wang C, Huang Z, Lin Y, et al. Artificial DNA nano-spring powered
by protons［J］. Adv Mater（Weinheim, Ger）, 2010, 22（25）：
2792-2798.
［38］Tian Y, He Y, Chen Y, et al. A DNAzyme that walks processively
and autonomously along a one-dimensional track［J］. Angew
Chem Int Ed, 2005, 44（28）：4355-4358.
［39］Wickham SFJ, Bath J, Katsuda Y, et al. A DNA-based molecular
motor that can navigate a network of tracks［J］. Nat Nanotechnol,
2012, 7（3）：169-173.
［40］Wickham SFJ, Endo M, Katsuda Y, et al. Direct observation of
stepwise movement of a synthetic molecular transporter［J］. Nat
Nanotechnol, 2011, 6（3）：166-169.
2015,31(4) 131俞洋等：基于 DNA自组装过程的纳米结构研究
［41］Gu H, Chao J, Xiao SJ, et al. Dynamic patterning programmed
by DNA tiles captured on a DNA origami substrate［J］. Nat
Nanotechnol, 2009, 4（4）：245-248.
［42］Gu H, Chao J, Xiao SJ, et al. A proximity-based programmable
DNA nanoscale assembly line［J］. Nature, 2010, 465（7295）：
202-205.
［43］Lund K, Manzo AJ, Dabby N, et al. Molecular robots guided by
prescriptive landscapes［J］. Nature, 2010, 465（7295）：206-
210.
［44］Pei R, Taylor SK, Stefanovic D, et al. Behavior of polycatalytic
assemblies in a substrate-displaying matrix［J］. J Am Chem Soc,
2006, 128（39）：12693-12699.
［45］Smith LM. Nanotechnology ：Molecular robots on the move［J］.
Nature, 2010, 465（7295）：167-168.
［46］Li X, Liu DR. DNA-templated organic synthesis ：nature’s
strategy for controlling chemical reactivity applied to synthetic
molecules［J］. Angew Chem Int Ed, 2004, 43（37）：4848-
4870.
［47］Gartner ZJ, Tse BN, Grubina R, et al. DNA-templated organic
synthesis and selection of a library of macrocycles［J］. Science,
2004, 305（5690）：1601-1605.
［48］Kanan MW, Rozenman MM, Sakurai K, et al. Reaction discovery
enabled by DNA-templated synthesis and in vitro selection［J］.
Nature, 2004, 431（7008）：545-549.
［49］Nielsen M, Thomsen AH, Clo E, et al. Synthesis of linear and
tripoidal oligo（phenylene ethynylene）-based building blocks for
application in modular DNA-programmed assembly［J］. J Org
Chem, 2004, 69（7）：2240-2250.
［50］Blakskjaer P, Gothelf KV. Synthesis of an elongated linear oligo
（phenylene ethynylene）-based building block for application in
DNA-programmed assembly［J］. Org Biomol Chem, 2006, 4（18）：
3442-3447.
［51］Brown RS, Nielsen M, Gothelf KV. Self-assembly of aluminium-
salen coupled nanostructures from encoded modules with cleavable
disulfide DNA-linkers［J］. Chem Commun, 2004, 13 ：1464-
1465.
［52］Gothelf KV, Brown RS. A modular approach to DNA-programmed
self-assembly of macromolecular nanostructures［J］. Chemistry,
2005, 11（4）：1062-1069.
［53］Gothelf KV, Thomsen A, Nielsen M, et al. Modular DNA-
programmed assembly of linear and branched conjugated
nanostructures［J］. J Am Chem Soc, 2004, 126（4）：1044-
1046.
［54］Nielsen M, Dauksaite V, Kjems J, et al. DNA-directed coupling
of organic modules by multiple parallel reductive aminations and
subsequent cleavage of selected DNA sequences［J］. Bioconjug
Chem, 2005, 16（4）：981-985.
［55］Andersen CS, Yan H, Gothelf KV. Bridging one helical turn in
double-stranded DNA by templated dimerization of molecular
rods［J］. Angew Chem Int Ed, 2008, 47（30）：5569-5572.
［56］Andersen CS, Knudsen MM, Chhabra R, et al. Distance dependent
interhelical couplings of organic rods incorporated in DNA 4-helix
bundles［J］. Bioconjug Chem, 2009, 20（8）：1538-1546.
［57］Piperberg G, Wilner OI, Yehezkeli O, et al. Control of bioelectroca-
talytic transformations on DNA scaffolds［J］. J Am Chem Soc,
2009, 131（25）：8724-8725.
［58］Tel-Vered R, Yehezkeli O, Yildiz HB, et al. Photoelectrochemistry
with ordered CdS nanoparticle/relay or photosensitizer/relay dyads
on DNA scaffolds［J］. Angew Chem, Int Ed, 2008, 47（43）：
8272-8276.
［59］Elbaz J, Tel-Vered R, Freeman R, et al. Switchable motion of DNA
on solid supports［J］. Angew Chem Int Ed, 2009, 48（1）：133-
137.
［60］Wilner OI, Weizmann Y, Gill R, et al. Enzyme cascades
activated on topologically programmed DNA scaffolds［J］. Nat
Nanotechnol, 2009, 4（4）：249-254.
［61］Wang ZG, Wilner OI, Willner I. Self-assembly of aptamer-circular
DNA nanostructures for controlled biocatalysis［J］. Nano Lett,
2009, 9（12）：4098-4102.
［62］Fu YM, Zeng DD, Chao J, et al. Single-step rapid assembly of DNA
origami nanostructures for addressable nanoscale bioreactors［J］.
J Am Chem Soc, 2013, 135（2）：696-702.
［63］Le JD, Pinto Y, Seeman NC, et al. DNA-templated self-assembly of
metallic nanocomponent arrays on a surface［J］. Nano Lett, 2004,
4（12）：2343-2347.
［64］Pinto YY, Le JD, Seeman NC, et al. Sequence-encoded self-
assembly of multiple-nanocomponent arrays by 2D DNA
scaffolding［J］. Nano Lett, 2005, 5（12）：2399-2402.
［65］Gerdon AE, Oh SS, Hsieh K, et al. Controlled delivery of DNA
origami on patterned surfaces［J］. Small, 2009, 5（17）：1942-
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.4132
1946.
［66］Ding B, Deng Z, Yan H, et al. Gold nanoparticle self-similar chain
structure organized by DNA origami［J］. J Am Chem Soc, 2010,
132（10）：3248-3249.
［67］Pal S, Deng Z, Ding B, et al. DNA-origami-directed self-assembly
of discrete silver-nanoparticle architectures［J］. Angew Chem Int
Ed, 2010, 49（15）：2700-2704.
［68］Sharma J, Chhabra R, Andersen CS, et al. Toward reliable gold
nanoparticle patterning on self-assembled DNA nanoscaffold［J］.
J Am Chem Soc, 2008, 130（25）：7820-7821.
［69］Stearns LA, Chhabra R, Sharma J, et al. Template-directed
nucleation and growth of inorganic nanoparticles on DNA
scaffolds［J］. Angew Chem Int Ed, 2009, 48（45）：8494-8496.
［70］Sharma J, Chhabra R, Cheng A, et al. Control of self-assembly
of DNA tubules through integration of gold nanoparticles［J］.
Science, 2009, 323（5910）：112-116.
［71］Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon［J］. Nature,
1991, 354（6348）：56-58.
［72］Ouyang M, Huang JL, Lieber CM. Scanning tunneling microscopy
studies of the one-dimensional electronic properties of single-
walled carbon nanotubes［J］. Annu Rev Phys Chem, 2002, 53 ：
201-220.
［73］ Dai H. Carbon nanotubes ：synthesis, integration, and properties
［J］. Acc Chem Res, 2002, 35（12）：1035-1044.
［74］ Terrones M. Science and technology of the twenty-first century ：
synthesis, properties, and spplications of carbon nanotubes［J］.
Annual Review of Materials Research, 2003, 33 ：419-501.
［75］Kostarelos K, Bianco A, Prato M. Promises, facts and challenges
for carbon nanotubes in imaging and therapeutics［J］. Nat
Nanotechnol, 2009, 4（10）：627-633.
［76］Cao Q, Rogers JA. Ultrathin films of single-walled carbon nanotubes
for electronics and sensors ：A review of fundamental and applied
aspects［J］. Adv Mater, 2009, 21（1）：29-53.
［77］Dwyer C, Guthold M, Falvo M, et al. DNA-functionalized single-
walled carbon nanotubes［J］. Nanotechnology, 2002, 13（5）：
601-604.
［78］Dwyer C, Johri V, Cheung M, et al. Design tools for a DNA-guided
self-assembling carbon nanotube technology［J］. Nanotechnology,
2004, 15（9）：1240-1245.
［79］Han X, Li Y, Deng Z. DNA-wrapped single-walled carbon
nanotubes as rigid templates for assembling linear gold nanoparticle
arrays［J］. Adv Mater, 2007, 19（11）：1518-1522.
［80］Maune HT, Han SP, Barish RD, et al. Self-assembly of carbon
nanotubes into two-dimensional geometries using DNA origami
templates［J］. Nat Nanotechnol, 2010, 5（1）：61-66.
［81］Walsh AS, Yin H, Erben CM, et al. DNA cage delivery to
mammalian cells［J］. ACS Nano, 2011, 5（7）：5427-5432.
［82］Li J, Pei H, Zhu B, et al. Self-assembled multivalent DNA
nanostructures for noninvasive intracellular delivery of
immunostimulatory CpG oligonucleotides［J］. ACS Nano, 2011,
5（11）：8783-8789.
［83］Hamblin GD, Carneiro KMM, Fakhoury JF, et al. Rolling circle
amplification-templated DNA nanotubes show increased stability
and cell penetration ability［J］. J Am Chem Soc, 2012, 134（6）：
2888-2891.
［84］Liang L, Li J, Li Q, et al. Single-particle tracking and modulation
of cell entry pathways of a tetrahedral DNA nanostructure in live
cells［J］. Angew Chem Int Ed, 2014, 53（30）：7745-7750.
［85］Jiang Q, Song C, Nangreave J, et al. DNA origami as a carrier for
circumvention of drug resistance［J］. Journal of the American
Chemical Society, 2012, 134（32）：13396-13403.
［86］Zhang Q, Jiang Q, Li N, et al. DNA origami as an in vivo drug
delivery vehicle for cancer therapy［J］. ACS Nano, 2014, 8（7）：
6633-6643.
［87］Zhao YX, Shaw A, Zeng XH, et al. DNA origami delivery system for
cancer therapy with tunable release properties［J］. ACS Nano,
2012, 6（10）：8684-8691.
［88］Nishikawa M, Mizuno Y, Mohri K, et al. Biodegradable CpG
DNA hydrogels for sustained delivery of doxorubicin and
immunostimulatory signals in tumor-bearing mice［J］.
Biomaterials, 2011, 32（2）：488-494.
［89］Mohri K, Nishikawa M, Takahashi N, et al. Design and development
of nanosized DNA assemblies in polypod-like structures as efficient
vehicles for immunostimulatory CpG motifs to immune cells［J］.
ACS Nano, 2012, 6（7）：5931-5940.
［90］Rattanakiat S, Nishikawa M, Funabashi H, et al. The assembly of a
short linear natural cytosine-phosphate-guanine DNA into dendritic
structures and its effect on immunostimulatory activity［J］.
Biomaterials, 2009, 30（29）：5701-5706.
［91］Liu X, Xu Y, Yu T, et al. A DNA nanostructure platform for
2015,31(4) 133俞洋等：基于 DNA自组装过程的纳米结构研究
directed assembly of synthetic vaccines［J］. Nano Lett, 2012, 12
（8）：4254-4259.
［92］Schuller VJ, Heidegger S, Sandholzer N, et al. Cellular
immunostimulation by CpG-sequence-coated DNA origami
structures［J］. ACS Nano, 2011, 5（12）：9696-9702.
［93］Ouyang X, Li J, Liu H, et al. Rolling circle amplification-
based DNA origami nanostructrures for intracellular delivery of
immunostimulatory drugs［J］. Small, 2013, 9（18）：3082-3087.
［94］Lee H, Lytton-Jean AKR, Chen Y, et al. Molecularly self-assembled
nucleic acid nanoparticles for targeted in vivo siRNA delivery［J］.
Nat Nano, 2012, 7（6）：389-393.
［95］Zhu G, Zheng J, Song E, et al. Self-assembled, aptamer-tethered
DNA nanotrains for targeted transport of molecular drugs in
cancer theranostics［J］. Proceedings of the National Academy of
Sciences, 2013, 110（20）：7998-8003.
［96］Wu C, Han D, Chen T, et al. Building a multifunctional aptamer-
based DNA nanoassembly for targeted cancer therapy［J］. J Am
Chem Soc, 2013, 135（49）：18644-18650.
［97］Douglas SM, Bachelet I, Church GM. A logic-gated nanorobot for
targeted transport of molecular payloads［J］. Science, 2012, 335
（6070）：831-834.
［98］Pinheiro AV, Han DR, Shih WM, et al. Challenges and opportuni-
ties for structural DNA nanotechnology［J］. Nat Nanotechnol,
2011, 6（12）：763-772.
［99］Kosuri S, Eroshenko N, LeProust EM, et al. Scalable gene synthesis
by selective amplification of DNA pools from high-fidelity
microchips［J］. Nat Biotechnol, 2010, 28（12）：1295-U1108.
［100］Lin CX, Rinker S, Wang X, et al. In vivo cloning of artificial DNA
nanostructures［J］. Proc Natl Acad Sci USA, 2008, 105（46）：
17626-17631.
［101］ Bellot G, McClintock MA, Lin C, et al. Recovery of intact DNA
nanostructures after agarose gel-based separation［J］. Nat
Methods, 2011, 8（3）：192-194.
［102］ Lin C, Perrault SD, Kwak M, et al. Purification of DNA-origami
nanostructures by rate-zonal centrifugation［J］. Nucleic Acids
Res, 2013, 41（2）：e40.
［103］ Xing S, Jiang D, Li F, et al. Constructing higher-order DNA
nanoarchitectures with highly purified DNA nanocages［J］. ACS
Appl Mater Interfaces, 2014, doi ：10. 1021/am505592e.