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
质子驱动的核酸纳米机器 *
杨　洋，刘冬生**
(国家纳米科学中心，北京 100190)
摘　要：i-motif结构是一种特殊的 DNA二级结构，它是由四个胞嘧啶重复序列在质子的参与下形成的
四链螺旋，该结构只有在酸性环境才能维持，因此可以将其设计成一个质子驱动的纳米级分子机器。
本文通过与其它 D NA 分子机器比较，详述了质子驱动的分子机器的工作机理，评价了该机器的优越
性、做功能力，并介绍了其多方面应用。
关键词：分子机器；D N A；i -mot i f结构；FR ET
中图分类号：Q523; TB383　　文献标识码：A
文章编号 ：1004-0374(2008)03-0358-06
收稿日期：2008-02-25
*原英文报告名：Studies on pH driver DNA nanomachine
**通讯作者：E-mail: liuds@nanoctr.cn
如何利用生命科学和纳米技术的结合为人类科
学发展做出更大贡献毋庸置疑是摆在科学家面前的
一个巨大挑战。而面对这一挑战，我们首先需要明
确目前火热的“纳米生物(NanoBio)”和“生物纳
米(BioNano)”分别需要解决的是怎样的问题。从
研究的侧重点来看“纳米生物”强调了以纳米技术
为背景的生物学，也即纳米技术能够为生物学研究
提供哪些新的思维方法和研究手段；而“生物纳
米”则更倾向于研究生命系统中处于纳米级别的物
质和物质运动，研究如何利用这些生命物质作为材
料实现纳米技术新的拓展。
在众多的生物大分子中，我们最为关注的是脱
氧核糖核酸(DNA)。DNA除了作为生命信息的遗传
物质体现出其重要的生物学价值以外，作为一种纳
米级别的分子，它还以其精确的分子识别能力、序
列可编程性质、简单而清晰的二级结构以及成熟的
合成和修饰方法等诸多优点成为化学家、材料学家
以及纳米科学研究者关注的热点。
从 20世纪 80年代开始，纽约大学 Seeman教
授就开始致力于利用DNA碱基的精确配对和序列可
编程的特性进行DNA自组装方面的研究。他们综合
考虑配对、转角、螺距等因素可以将设计好的DNA
序列编织成一维线段、二维网格[1,2]乃至三维的多面
体结构 [ 3 - 6 ]。2 0 0 6 年，加利福尼亚理工学院的
Rothemund等[7]更是利用DNA组装出“笑脸”、“雪
花”等复杂的二维图案(图 1) [7]。然而，作为一种
特殊的高分子，DNA不仅有精确配对、相互识别
的特点，更有着双链、三链、四链等多样的二级
结构，通过适当的序列设计和条件控制人为地操纵
DNA的结构或构象变化，甚至实现纳米尺度的可控
运动。因此，能否利用 DNA组装出纳米尺度下能
够运动并实现力的输出或能量转换的“纳米机器”
是这个领域更具挑战性的前沿课题。“DNA纳米机
器”的构建对我们认识纳米尺度下的能量转换规
律、生物分子的相互作用与调控机制等有着重要意
义。
1　利用链交换反应构建的核酸纳米机器
实际上，近些年来多种多样利用链交换反应驱
动的DNA纳米机器已经被构建出来。2000年，Bell
实验室 Yurke等[8]成功构建了一个以 DNA 为“燃
料”(DNA-fuelled)的DNA 分子机器。在该分子机器
中 DNA 不仅作为构筑材料，而且还作为机器的
“燃料”。如图 2 所示，该机器是由等当量的 3 股
图1　基于DNA自组装的二维图案化
359杨　洋，等：质子驱动的核酸纳米机器第3期
DNA单链A、B和 C组成，呈现一个镊子的结构，
称为DNA分子镊子。A股是由两个 18碱基序列区
域组成的，这两个区域分别与B股和 C股的末端通
过碱基序列互补形成刚性的双臂。作为镊子主体的
A股序列，其两端修饰了荧光分子和淬灭基团作为
镊子闭合或打开的指示信号。当加入 F单股，使其
分别与 B股和 C股的自由碱基杂合配对，就使得这
个分子机器呈现关闭状态，这时镊子是闭合的。在
这里，F 单股充当“燃料 1”的作用，同时 F 股
还有 8个碱基是没有配对的。再加入“燃料 2” F，
它是 F股的互补链。等当量的 F股和 F股杂合，形
成双螺旋的 F-F，这样“燃料 1”就与“燃料 2”
完成了燃烧过程并从分子机器上移去，从而该分子
机器又回到了打开的状态。实际上，这种装置是在
杂合能(hybridization energy)的驱动下，实现这两种
状态间的互变。
与上述这一基于DNA单链和双链间的互变构建
的纳米机器类似，利用DNA四链结构与单双链间的
结构转变同样可以构建出纳米机器。众所周知，
DNA碱基间的互补配对主要是由碱基间的氢键所维
系，由于 4种碱基上都有多个H质子的供体和受体
基团，传统的WC 配对并不是碱基互补的唯一方
式。20世纪 90年代人们在双链、三链 DNA之外
又发现了两种四链DNA，一种是G-quadruplexes结
构[9-11] ；另一种是 i-motif结构[11-13](图 3)。前者是由
4个鸟嘌呤(G)两两间形成 2个氢键围成的正方片层
堆叠而成；后者则是由两个胞嘧啶 C通过结合一个
质子形成三个氢键作为一层而交叉堆叠起来的。能
够形成这两种结构的序列分别是富含G的序列和富
含 C的序列，实际上，在高等真核生物染色体的端
粒区大量重复存在着这样的序列。抛开这两类四链
DNA的生物学意义，我们可以看出它们实际上是存
在于单链、双链之外的另一种构象。
佛罗里达大学的Tan研究组[14]和法国的Mergny
研究组[15]先后利用G-quadruplex设计出DNA分子马
达。这类马达是一条含有四段重复 G 序列的单链
DNA，在K或 Na盐的溶液中，该DNA会自我折
叠形成稳定的四链闭合状态(5和 3端靠近）。利用
富含C的DNA单链作为燃料可以通过与其配对形成
刚性的双链而将其打开（5和 3端远离），利用错
配和延长等方法控制燃料 α与马达、燃料 α与燃料
β 间的相互作用能力，从而就可以通过不断加入
DNA来驱动马达运转。通过在马达两端分别修饰上
荧光基团和淬灭基团，就可以利用荧光信号的强弱
对马达的状态和效率进行表征(图 4)。
从这两个例子可以看出，基于链交换反应的
DNA纳米机器的构建证明了DNA这一生物大分子在
纳米尺度材料领域里的优势，又由于链交换反应对
于DNA是一种普适的反应，原则上人们可以设计出
结构更为复杂多样，功能更为强大的 DNA分子机
器，甚至分子工厂。
然而，链交换反应从原理上看也有着其先天的
不足，从效率和寿命两方面限制了这类分子机器的
发展。首先，链交换反应的发生依赖于不同 DNA
链间结合能力的不同。因此，在室温下 DNA链的
图2　DNA分子镊子的结构和运转过程
A：由A，B和C三段DNA组成的镊子主体结构；B：DNA
镊子在加入燃料分子 F，F的情况下闭合和打开的过程；C：
反复加入“燃料 1”F 和“燃料 2”F 的循环过程中荧光
的变化
图3　形成四链DNA的单元层结构
A：四个鸟嘌呤(G)首尾通过氢键形成的方形片层；
B：两个胞嘧啶(C)通过结合质子形成的互补配对通过加入
燃料 α以及与其完全互补的燃料 β实现循环
360 生命科学 第20卷
交换需要通过两条链间竞争性的置换来实现，这种
置换以步进的方式完成，速度较慢，限制了分子机
器的运转效率。其次，链交换反应在微观上是无法
100%实现的，这就导致每次循环完成后体系中必
然会残留未被结合的“燃料 2”，或未被还原为初
始状态的机器分子，而在下一循环中，残留的物质
会消耗新加入的“燃料 1”或“燃料 2”，从而
在循环结束后进一步放大残留未反应分子的数量。
这样若干循环之后，马达将停留在某一状态而寿命
终结。同时，每次加液造成的体积扩增也会导致马
达效率和寿命的迅速衰减。因此，从原理上进行突
破，实现一种使用不产生残留物质的清洁能源的核
酸纳米机器是此方面继续发展的关键。
2　质子驱动的纳米机器
针对以上问题，2003年，我们首次提出了以
质子为“清洁能源”来驱动一种独特的四链 DNA
分子马达的循环往复工作。前面已经介绍了利用链
交换反应调控的G-quadruplex四链DNA马达，同时
提到的另一种富含胞嘧啶(C)的DNA四链结构——
i-motif有着更为优越的性质。研究发现，i-motif结
构只有在弱酸性(pH<6.3)的条件下才能够稳定存在，
而在中性或碱性条件下则会解开成为单链结构。我
们利用这一机理设计了一种分子马达(图 5A)[16]。这
一分子机器实际上就是人类染色体端粒区富含 C的
重复片段 5-(CCCTAA)3CCC-3序列。实验中将这
一分子的5和 3端分别修饰上荧光分子和淬灭基团，
并在溶液中将它和它的含有若干错配的互补链混
合。弱酸性条件下由于DNA分子形成 i-motif结构，
5和 3端接近，形成关闭状态从而使荧光淬灭；向
溶液中加碱使其 pH值升到 8.0，则 i-motif结构不能
维持，马达分子就会与互补链结合形成刚性的双链
迫使 5和 3端分离，成为打开状态从而显示出荧
光。该过程是可逆的，其效率在 30多个循环后仍
可保持。在这一体系中，利用不断加入的酸碱作为
燃料就可以驱动马达的不断运转。
对于 i-motif四链DNA马达，酸碱溶液的交替
加入是保证开关打开闭合的燃料因素，而水和盐则
是最后的废弃物。虽然，与链交换反应相比，无
论在反应速度还是机器寿命上，pH调控的开关都有
了很大进步，但在封闭系统中，这类体积不断增
大，废料不断积累的过程显然是不利的，经过多次
循环必然会影响分子机械的效率。对于这一问题的
解决，我们尝试将一种叫做甲醇基孔雀石绿
(MGCB)的分子混溶于 i-motif开关系统，该分子会
图5　利用i-motif四链DNA设计的马达
A：马达由酸碱驱动的循环过程；B：通过加入甲醇基孔雀石绿实现分子马达的光驱动运转
图4　利用G-quadruplex设计的马达
361杨　洋，等：质子驱动的核酸纳米机器第3期
在紫外光的照射下释放出氢氧根离子，从而使溶液
变为碱性，诱导开关的打开；而在黑暗中放置一段
时间该分子又会与氢氧根重新结合成分子状态而使
溶液恢复酸性环境，诱导开关的闭合。这种方法实
现了光能通过化学能转化为机械能的变化，以紫外
光作为能源取代了酸碱溶液的加入，从而避免了水
和盐这些的副产物的产生，真正实现了非接触式的
封闭能量转化系统的构建[17]。
3　利用质子驱动的DNA马达实现功的输出
在关于纳米机器的探讨中，部分科学家认为
“机器”的概念是以具有“对外输出功的能力”为
前提的，而传统的链交换反应构建的分子机器由于
每一步反应时间长，不同状态间自由能的落差在变
化过程全部以“热”的形式耗散掉了，从而不再
具有对外做功的能力。因此，基于链交换反应的
DNA分子机器是否可以被称为“机器”还有待商
榷。而质子驱动的DNA机器与基于链交换反应的机
器相比，不但在稳定性和可重复性上都有了很大提
高，并且在运转速度上也提高了 3个数量级，速度
的提高保证了能量转化的效率，在时间尺度上为分
子机器的对外做功提供了基础。
为了证明这一点，我们首先研究了分子级的机
器与宏观界面的接口问题。与剑桥大学的合作者一
起，我们利用软印刷技术将 i-motif开关阵列“种”
(DNA分子一端巯基修饰)在金膜表面形成二维点阵，
再用酸碱的交替加入研究该开关阵列在固液界面的运
转情况。由于开关DNA的自由端连接荧光基团，闭
合状态时与金膜接近荧光被淬灭，打开状态则释放
荧光，通过酸碱的加入观察到整个点阵荧光的熄灭
和释放，从而证明了DNA分子开关可以在界面层中
良好地工作(图 6A)[18]。在此基础上，我们又与剑桥
图6　利用DNA分子开关实现能量输出
A：金膜表面 i-motif分子开关阵列在酸碱驱动下运行；B：利用双链 -四链DNA空间位阻不同实现酸碱驱动的悬臂弯
曲，输出宏观机械能
大学纳米中心的Shu和伦敦大学学院的 McKendry博
士等合作，将 i-motif四链DNA开关阵列生长在镀
金的AFM针尖悬臂上表面，通过改变溶液 pH值，
利用DNA开关在两种状态下体积的不同造成的空间
堆挤驱动了AFM针尖悬臂的可逆弯曲，从而实现了
化学能向宏观机械能的转化(图 6B)[19]。
4　质子驱动的DNA纳米机器的应用
上述工作中质子驱动的DNA纳米机器无论是作
为分子开关还是马达，其本身已经具有了传感器和
能量转化的能力，如何发掘这一机器新的潜能并利
用它们在各个领域实现应用是我们进一步要解决的
问题。
由于该纳米机器可以在界面上很好地工作，我
们意识到可以利用这一特点通过对DNA的修饰制造
出对外界信号有特殊响应的“智能”表面。表面
浸润性就是一种重要的表面性质。近日，通过将图
6A中的荧光标记替换为具有超疏水性的有机标记，
结合表面粗糙度控制，我们已经实现了以DNA分子
马达为基础的超亲水 /超疏水界面的构建。在马达
“开”状态时，疏水基团暴露在外，表面超疏水；
而当马达“关”时，亲水性的 DNA骨架暴露，疏
水基团被屏蔽，表面超亲水。研究中还发现此系统
具有的一个超疏水介稳态，和前述双稳态过程一起
构成了一个具有长 /短期记忆效应的三态智能系统20
(图 7A) [20]。
类似于驱动悬臂弯曲时悬臂上表面发生的变
化，马达引起的表面DNA密度变化还具有其他方面
的应用前景。我们对马达靠近表面一端进行了合理
延长，并对表面组装密度进行了控制，当马达
“关”时，表面能形成致密的分子膜，而底部则
由支撑单链与基底相连，形成纳米级的空腔，可被
362 生命科学 第20卷
称为“纳米舱”。通过马达的“开”与“关”，
此纳米舱成为了可控释放与结合功能分子的“容
器”。这样的“纳米舱”有望应用于药物的缓释
控释领域(图 7B)[21]。
利用DNA构建生物计算机也一直是很多人的梦
想，而这一构想将基于各种基本逻辑门单元的的设
计。四链DNA马达通过与荧光共振能量转移反应
(FRET)结合，在酸性 -碱性和光照 -避光四种条件
下可以输出不同信号，从而可以构成一个新型的分
子逻辑门系统。
5　总结与展望
利用 i-motif这一特殊的DNA四链结构对于质子
的敏感特性，我们已成功地将其构建为一个pH调控
图7　pH驱动的DNA马达的应用
A：利用四链 DN A空间位阻大于单链，可以将其在金表面排布为单层膜，在单链区容纳一些小分子，利用四链区覆盖，
在酸碱调控下实现小分子的包裹与释放；B：利用修饰了疏水基团的马达实现可控的表面改性
的分子机器并实现了其多种形式的功能化。这一分
子机器可控的开关特性和做功能力为它提供了长远的
应用潜力，如与各种纳米粒子的结合、与其他DNA
纳米机器相结合以及通过更多非接触手段实现对它的
调控都有可能在生物纳米领域创造出更多的惊喜。
[参　考　文　献]
[1] Seeman NC. Nucleic acid nanostructures and topology.
Angew Chem Int Ed, 1998, 37: 3220-38
[2] Seeman NC. At the crossroads of chemistry, biology, and
materials:sStructural DNA nanotechnology. Chem Biol,
2003, 10: 1151-9
[3] Goodman RP, Berry RM, Turberfield AJ. The single-step
synthesis of a DNA tetrahedron. Chem Commun (Camb),
2004: 1372-3
363杨　洋，等：质子驱动的核酸纳米机器第3期
[4] Chen JH, Seeman NC. Synthesis from DNA of a molecule
with the connectivity of a cube. Nature, 1991, 350: 631-3
[5] Shih WM, Quispe JD, Joyce GF. A 1.7-kilobase single-
stranded DNA that folds into a nanoscale octahedron. Nature,
2004, 427: 618-21
[6] Zhang YW, Seeman NC. Construction of a DNA-truncated
octahedron. J Am Chem Soc, 1994, 116: 1661-9
[7] Rothemund PW. Folding DNA to create nanoscale shapes
and patterns. Nature, 2006, 440: 297-302
[8] Yurke B, Turberfield AJ, Mills AP, et al. A DNA-fuelled
molecular machine made of DNA. Nature 2000, 406: 605-8
[9] Davis JT. G-quartets 40 years later: from 5-GMP to mo-
lecular biology and supramolecular chemistry. Angew Chem
Int Ed Engl, 2004, 43: 668-98
[10] Davis JT, Spada GP. Supramolecular architectures gener-
ated by self-assembly of guanosine derivatives. Chem Soc
Rev, 2007, 36: 296-313
[11] Mills M, Lacroix L, Arimondo PB, et al. Unusual DNA
conformations: implications for telomeres. Curr Med Chem
Anticancer Agents, 2002, 2: 627-44
[12] Gehring K, Leroy JL, Gueron M. A tetrameric DNA struc-
ture with protonated cytosine-cytosine base pairs. Nature
1993, 363: 561-5
[13] Patel DJ. Tetrads through interdigitation. Nature, 1993, 363:
499-500
[14] Li JW, Tan WH. A single DNA molecule nanomotor. Nano
Lett, 2002, 2: 315-8
[15] Alberti P, Mergny JL. DNA duplex-quadruplex exchange as
the basis for a nanomolecular machine. Proc Natl Acad Sci
USA, 2003, 100: 1569-73
[16] Liu DS, Balasubramanian S. A proton-fuelled DNA
nanomachine. Angew Chem Int Ed, 2003, 42: 5734-6
[17] Liu H, Xu Y, Li F, et al. Light-driven conformational switch
of i-motif DNA. Angew Chem Int Ed, 2007, 46: 2515-7
[18] Liu DS, Bruckbauer A, Abell C, et al. A reversible pH-driven
DNA nanoswitch array. J Am Chem Soc, 2006, 128: 2067-
71
[19] Shu W, Liu DS, Watari M, et al. DNA molecular motor
driven micromechanical cantilever arrays. J Am Chem Soc,
2005, 127: 17054-60
[20] Wang SX, Liu H, Liu DS, et al. Enthalpy-driven three-state
switching of a superhydrophilic/superhydrophobic surface.
Angew Chem Int Ed, 2007, 46: 3915-7
[21] Mao YD, Liu DS, Wang SX, et al. Alternating-electric-field-
enhanced reversible switching of DNA nanocontainers with
pH. Nucleic Acids Res, 2007, 35: e33
核定位Dishevelled，c-Jun，β-catenin和 TCF形成转录复合物
从而稳定β-catenin与TCF转录因子的相互作用
新一期 Journal of Cell biology报道了中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所李
林研究组的最新研究发现：Wnt信号途径中的关键分子Dishevelled蛋白通过 c-Jun蛋白的介导作用，结合
到下游靶基因的启动子上，并调控了启动子上的转录复合物的形成。这一发现揭示了Dishevelled蛋白在细
胞核中调控Wnt信号的作用机制，并阐明了 c-Jun蛋白在Wnt信号途径中的新功能。
Wnt信号转导途径是一类在生物体进化过程中高度保守的信号转导途径，调控早期胚胎发育；同时在
成体中Wnt信号途径异常活化会导致人类一系列高发性肿瘤的发生。在Wnt信号途径激活的过程中，Di-
shevelled蛋白在细胞质中接受上游信号通过抑制APC、Axin以及GSK3β等蛋白形成的复合物的功能，从
而稳定了细胞质中游离的 β-catenin蛋白；细胞质中积累的 β-catenin蛋白进入细胞核与 TCF/LEF家族的转
录因子结合从而开启了下游靶基因的转录。
李林研究组的甘肖箐和王计勇等人发现，Wnt信号可以诱导Dishevelled和 c-Jun两个蛋白在细胞核中
的相互作用并结合到Wnt下游靶基因的启动子上，与 TCF和 β-catenin等蛋白形成稳定的转录复合物。
Dishevelled蛋白的主要作用是在启动子上调控β-catenin蛋白与TCF转录因子之间的相互作用，从而使得β-
catenin蛋白可以稳定地结合到靶基因的启动子上。另外，c-Jun蛋白在Wnt信号途径中的主要功能是作为
Dishevelled蛋白与TCF转录因子之间的接头蛋白而发挥作用。c-Jun蛋白作为原癌基因与一系列肿瘤的发生
都有关联，而Wnt信号途径的异常活化也与众多的肿瘤的发生有关；近年来研究也发现Dishevelled蛋白在
许多肿瘤组织中异常高表达。《自然中国》在对该文的评述中认为，这个工作揭示的Dishevelled与 c-Jun
两个蛋白调节Wnt信号的新机制为癌症及其他退行性疾病的治疗提供了又一个可能的药物靶点。
该项工作是与李逸平研究组合作完成的，并得到了上海生科院斑马鱼研究平台的支持。
摘自 http://www.sibs.ac.cn
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