全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 3期
2008年 6月
Vol. 20, No. 3
Jun., 2008
DNA 纳米舱可逆开关的性质与应用 *
倪 鸣，毛有东，罗春雄，欧阳颀**
（北京大学物理学院，北京大学国家介观物理实验室，北京大学理论生物学中心，北京 1 00 87 1）
摘　要：由于生物大分子的一些特殊物理、化学属性，蛋白质、核酸等一类生物分子被广泛应用于
制备各种纳米结构与器件，但是基于生物分子集体动力学性质的纳米器件还没有真正开发出来。本文
讨论一种在表面上自组装形成的具有可逆开关性质的DNA纳米舱结构。由于DNA杂交动力学集体行为
的一些特性，此纳米舱可以对小分子进行有效的禁闭和释放，从而可能被应用于开发 DNA序列检测芯
片的基本元件。我们的研究表明，根据此纳米舱的工作原理制造的 DNA 检测器件可以探测到一个碱
基对的错配，其选择性远高于传统的 DN A 芯片，同时检测灵敏度也有一定的提高。这个研究结果开
创了发展不需要荧光标记的 DNA芯片的新思路。
关键词：DNA 纳米舱；DNA 芯片；分子集体行为
中图分类号：Q811.4；TP212　　文献标识码：A
文章编号 ：1004-0374(2008)03-0337-05
生物大分子由于其特有的多样性被广泛地应用
于纳米科技研究与开发领域。它们在制备，如分子
机器 [1-3]、纳米器件[4-5]、生物计算机[6] 等方面已
经显示出其巨大的潜力。这些应用的设计思想都是
基于个体生物大分子的物理化学特性[ 7- 9]。然而，
原则上说，不依赖于个体分子性质的生物大分子集
体行为也可以作为设计生物纳米器件的基础，它可
能产生出更为复杂、精密的纳米器件。此类设计初
步思想在一些研究中已经开始发展[10]。但是，这个
思想的具体应用还只是刚刚开始，它的发展很可能
在纳米科技领域产生新的突破。
最近，我们的研究表明，经过特殊设计的
DNA阵列可以在固体表面形成致密的DNA分子膜，
这类分子膜可以将一些小分子禁闭在分子膜与固体
表面的纳米级的有限空间里 [11-13]。由于DNA分子膜
的集体行为，它具有可逆开关的性质。我们称这类
分子膜为“DNA纳米舱”。图 1A给出纳米舱的设
计结构。一个典型的纳米舱器件由两部分DNA分子
集合组成(图 1A）：一段可以形成DNA分子膜的双
链DNA(图 1A右图)与一段单链DNA(图 1A左图)，
后者起到DNA分子膜支架的作用。单链DNA分子
的 5端经过巯基修饰，它可以以共价键形式固定在
金表面[14-19]。由于单链DNA的半径远小于双链DNA
的半径，在DNA分子膜与固体表面之间可以形成一
个纳米级的空间，这就是纳米舱。纳米舱的大小可
收稿日期：2008-02-25
*原英文报告名：Reversibly switchable DNA nanocom-
partment on surface
**通讯作者：E-mail: qi@pku.edu.cn
以由单链DNA的长度控制。在我们的实验中，它
的高度为 5— 50nm。
本文讨论DNA纳米舱的一些基本特征，并探
讨它的应用价值。我们将通过实验证明我们设计的
纳米舱结构具有可控制的开关性质，这种开关性质
可以通过调节纳米舱的环境温度得以实现。我们将
进一步根据纳米舱的工作原理设计新型的DNA序列
检测系统。我们的实验显示，这种新型的 DNA序
列检测器件可以作为新型DNA芯片的基础元件。野
生型的靶DNA片段可以将纳米舱有效关闭，而具有
单碱基突变的DNA片段不能有效关闭纳米舱。由于
纳米舱的集体效应，这种检测方案可以大大提高
DNA检测的选择性和灵敏度[20,21]。
1　纳米舱的性质
在实验中我们用人类的 p53基因的一个片段作
为待测DNA(舱盖DNA)，其序列信息见图1A。DNA
纳米舱的分子禁闭效应要求DNA分子膜有特殊的集
体行为，使得禁闭的分子不能随机扩散。具体地
说，纳米舱必须满足以下三个条件：(1)双链 DNA
形成的分子膜必须致密排布，使得禁闭的小分子不
338 生命科学 第20卷
透过；(2)DNA分子膜的形成与分解必须是可逆的，
即随着外部控制参量的变化，纳米舱可以可逆的达
到开或关的状态；(3)DNA分子膜必须跨越微米级的
面积，这使得分子膜的缺陷不至于影响报告分子禁
闭效应。在实验中我们发现，由于 DNA分子的相
互作用，高密度的单链DNA在固体表面的自组装可
能限制双链DNA的杂交过程 [14-19,22]，但是适当密度的
单链DNA可能使双链DNA的杂交 100%的完成 [14,15,22]。
从理论分析，纳米舱形成的最佳单链DNA浓度应该是
(5±2)×1012 分子 /cm-2，过低或过高的浓度都会使双
链DNA分子膜不能有效形成。在实验中我们采取的
方法是先将“舱盖”DNA分子与纳米舱DNA分子
杂交形成双链DNA，杂交后的双链DNA再与金表接
触进行自组装。实验证明这种操作可以保证致密的
DNA分子膜在金表面形成。当DNA纳米舱形成后，
可以通过提高温度将系统从关的状态变为开的状
态。我们测量了纳米舱由关到开而产生的“舱盖”
DNA的含量，其数值为(5.4±0.8)×1012分子 /cm-2, 与
理论预期值一致。同样的方法在其他研究中也有过
报告[10,23]。
为了直接确定DNA纳米舱的形态，我们应用
原子力显微镜对形成的DNA纳米舱结构进行了直接
测量。我们测量了DNA分子膜在不同温度下的的表
面形貌和选用不同长度单链DNA时纳米舱的厚度。
图 2给出了测量的部分结果。当DNA分子膜形成，
即DNA纳米舱处于关的状态时，我们观测到线性尺
度为几个微米的平整表面(图 2B)，在这种状态下
DNA呈密集排布(图2B插图)。当分子膜被破坏，即
DNA纳米舱处于开的状态时，我们观测到粗糙的表
面(图 2C)。当环境温度由高变低时，测量的表面
图1　DNA 纳米舱示意图
A: 加入或除去“舱盖”DNA(绿色)可以使纳米舱处于开(右图)和关(左图)的状态；B: 在纳米舱中关入不同浓度的亚甲基兰
分子(MB+)，可以得到不同的电化学氧化还原峰，虚线表示纳米舱在开的状态时的测量曲线；C: 在不同长度单链DNA分
子下形成的纳米舱中，测量的氧化还原峰值相对值(右插图)随亚甲基兰浓度的变化，左插图显示当亚甲基兰达到饱和浓度
时，测量信号随单链 DNA的长度线性变化；D: 在DNA纳米舱中关入带负电性的铁氰化合物分子([Fe(CN)6]3-)也可以测量
到氧化还原信号
339第3期 倪　鸣，等：D N A纳米舱可逆开关的性质与应用
由粗糙变为平滑，显示了DNA纳米舱由开到关的过
程。这表明DNA纳米舱是可逆的。图 2A显示当单
链DNA长度增加时，DNA纳米舱的厚度随之线性
增加。测量得到直线的斜率为 0.8±0.2nm/碱基对。
由于原子力显微镜的系统误差，测量值略大于实际
值。如果取测量误差的低限值，我们的测量基本符
合理论预测和其他方法得到的测量值 [24,25]。这表明
单链DNA骨架在DNA分子膜形成时基本是垂直于固
体表面的。
分子膜的缺陷，主要是膜孔可能是纳米舱失去
禁闭分子的作用。在实验中我们用电化学的检测方
法估计了缺陷的影响。我们的研究结果表明在图 2
所示的纳米舱结构中，缺陷导致的禁闭分子向膜外
扩散在 48h的测量时间内可以忽略不计。
为了进一步测量DNA纳米舱对小分子的禁闭效
果，我们选用具有氧化还原特性的报告分子，如亚
甲基兰(MB+)、铁氰化合物分子([Fe(CN)6]3-)等作为
禁闭分子。由于这些分子的体积较大，它们不能自
由通过DNA分子膜。因而用电化学检测方法可以精
确地测量关闭在纳米舱中报告分子的表面浓度 [17,26-30]。
在实验中我们先将纳米舱设置在开的状态，在此状
态下将DNA纳米舱与“舱盖”DNA、报告分子混
合并通过降低温度使 DNA纳米舱逐步变为关的状
态。关入DNA纳米舱的报告分子表面浓度(Γ nc)可
以通过循环伏安法在一个三电极电化学工作站中测
量。图 1B给出了一组测量数据。图 1C与 1D分别
给出用亚甲基兰或铁氰化合物作为报告分子时伏安
测量峰值随报告分子浓度变化的等温线。这些等温
线和理论预测的 Langmuir公式 [26]，x/Γ nc = (1/Γ
nc,max)x + (1/KΓ nc,max), 有定量的吻合(公式中的 x 为
报告分子浓度；K 为报告分子与 DNA分子的结合
常数[14,17]），说明报告分子主要分布在单链DNA骨
架上。从图 1C 的插图可以间接得到MB +与单链
DNA的结合常数为 K = (3.0±0.2)×104 mol/L-1；而
[Fe(CN)6]3-与单链DNA的结合常数为 K = (0.9±0.1)
×103 mol/L-1。结合常数的差别主要由报告分子的带
电性决定。由于单链 DNA是电负性的，它更容易
和带正电的亚甲基兰分子结合。溶液的离子强度可
以显著改变这种分子间的静电效应。在实验中我们
发现增加溶液中的Na+浓度会显著降低MB+的检测
信号(Γ nc)。当[Na+] = 0.5 mol/L时禁闭作用几乎消
失。相反，Na+浓度对[Fe(CN)6]3-基本没有影响。
当报告分子处于饱和状态时的检测信号(Γnc,max)
与单链DNA的长度(heff)呈线性关系(图 1C的插图)。
这个实验结果说明DNA纳米舱空间的大小直接决定
关入DNA纳米舱中报告分子的数量，它进一步表明
DNA纳米舱对小分子的禁闭效应。另外，我们在
实验中发现测量的伏安曲线(图 1B)不随报告分子关
入DNA纳米舱的时间延长而改变；在48h后重新测
量得到的曲线与前测量数据没有明显差别。这些实
验表明报告分子的确被长期有效地禁闭在DNA纳米
舱中的空间之内。
为了考察DNA纳米舱设计的普适性，我们还
设计了以 SiO2、玻璃为固体衬底的纳米舱结构。在
单链DNA的5端修饰不同的连接分子可以使其共价
图2　原子力显微镜测量纳米舱在金表面的形貌
A: 纳米舱厚度随单链 DNA长度的变化；B: 纳米舱处于关
的状态的形貌图，插图显示 DNA的有序排列；C: 纳米舱
处于开的状态的形貌图；D: 纳米舱处于半关情况下的形貌
图；E: 纳米舱重新回到关的状态
340 生命科学 第20卷
结合在各种固体表面上。实验中用荧光分子
(C20H10Na 2O5)作为报告分子。我们的实验结果表
明，新的纳米舱仍然可以有效禁闭报告分子。这说
明纳米舱的设计与所选固体衬底、所选报告分子没
有关系。双链DNA分子膜的集体行为唯一地决定了
DNA纳米舱的功能。
2　纳米舱的应用
DNA纳米舱的可逆开关性质给我们提供了设计
新型生物纳米器件的可能性。在这里我们介绍就利
用 DNA纳米舱结构设计新型 DNA序列检测器件
(DNA芯片)的基础工作。在上文中我们介绍完全配
对的“舱盖”DNA在合适的温度下可以有效地将
DNA纳米舱关闭。为了用DNA纳米舱开发DNA芯
片的基础元件，我们必须考察当“舱盖”DNA存
在一个碱基错配的情况下DNA纳米舱的关闭情况。
为此我们设计了一系列实验来检验 DNA纳米舱在
DNA错配情况下行为。具体做法是将双链DNA中
的一对G:C碱基对人为的换成G:X (X = A, T, G)错
配。图３给出了典型的实验结果。
我们的实验结果表明具有单碱基错配的双链
DNA不能有效地产生能够禁闭报告分子的纳米舱结
构(图 3A，虚线)。因而，如果将纳米舱DNA设计
成探针 DNA，将“舱盖”DNA 设计成靶 DNA，
在一定温度下(如 30℃，图 3B垂直虚线所示)，纳
米舱的开关状态可以反映靶DNA是否出现单碱基突
变。根据这个原理可以设计出不需要对靶DNA进行
荧光标记的新型DNA序列检测芯片。
利用DNA纳米舱原理设计的DNA序列检测器件
可以大大提高检测的选择性。根据图3B的定量计算
结果显示，即使双链杂交的成功率达到(70±4)%，DNA
纳米舱还是不能被有效地关闭。这也从另一个方面
说明单碱基错配的DNA分子膜为什么不能有效关闭
DNA纳米舱：因为在这种情况下双链DNA的杂交
效率只有 50%[18]。这种DNA分子膜的集体行为使得
分子禁闭效果在温度上升时有一个突然的下降(图
3B，实线)，因而检测选择性有一个很大的提高。
对比基于荧光检测技术的传统DNA芯片技术(图3B
插图），在优化温度(42℃)下其选择性为2.6:1左右。而
根据我们的实验结果（图3B)，基于DNA纳米舱原理
设计出的新型DNA芯片其选择性在10—45℃温度范
围内可以达到 1 0 0: 1，因而我们认为这类新型的
DNA检测技术可以大大弥补传统DNA芯片技术的不
足。在灵敏度方面，DNA纳米舱的灵敏度随纳米
舱总面积的大小线性增加。在实验中我们在线性尺
度为 1µm的电极上组装了DNA纳米舱。其检测灵
敏度为 105个分子，大大高于传统DNA芯片的灵敏
度。另外，我们进一步的实验结果表示用 SiO2、玻
璃做固体表面，用亚甲基兰、铁氰化合物、荧光
分子作报告分子所组成的DNA纳米舱可以得到同样
的结果。因此DNA纳米舱作为新型DNA检测器件
有广泛的实用性。
3　结论
综上所述，在对我们设计的DNA纳米舱器件
做了一系列的实验测定后，我们认为这种新型的生
物纳米器件可以被应用于设计新一代的DNA序列检
测芯片。由于DNA杂交热力学的限制，传统DNA
芯片的选择性不可能很高。因而传统的DNA芯片数
据存在着不可克服的噪声影响，这种影响很大的限
图３
A: 在 25℃下，循环伏安法测量野生型 DNA分子膜所构成
的纳米舱(实线)与单碱基突变DNA分子膜构成的纳米舱(虚
线)中报告分子的氧化还原曲线；B: 随温度升高纳米舱的解
离曲线。实线：野生型 DNA分子膜构成的纳米舱；虚线：
单碱基突变DNA分子膜构成的纳米舱。垂直的虚线标出测
量选择性的温度位置，插图给出传统 DNA芯片的解离曲线
341第3期 倪　鸣，等：D N A纳米舱可逆开关的性质与应用
制了DNA芯片的可靠性。利用DNA纳米舱原理设
计的DNA检测技术可以克服这个困难。由于DNA
纳米舱的开关状态取决于DNA分子膜的集体行为，
以它为基础制备的 DNA序列检测器件可以将传统
DNA芯片的选择性提高两个数量级，同时其灵敏度
也有很大提高。
由于电化学监测的复杂性，以DNA纳米舱原
理为基础设计的DNA芯片还不能有很高的集成度，
我们设计的DNA序列检测阵列只有不足100个检测
点［1 2］。但是，随着微、纳米加工技术的日益成
熟，我们相信以 DNA纳米舱为基础的中、大规模
的 DNA芯片会逐步发展起来。
[参　考　文　献]
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