一種離子濃度響應的DNA結構元件及制備和應用的制作方法

本發明涉及離子濃度響應的DNA結構元件，具體涉及了以DNA三角形折紙結構和DNA四邊形折紙結構為元件，并且這兩種DNA結構皆具備可逆的離子響應功能。本發明屬于納米生物材料領域。

背景技術：

DNA折紙結構的組成為一根很長的DNA單鏈和很多短的DNA單鏈。每一條短鏈都看成是幾小段，分別與那一根長鏈的某個部位互補。當把長鏈和短鏈按照一樣的比例置于溶液之中再復性，每一條短鏈就會像訂書釘似的把長鏈的幾個部位拉到一起，于是這個長鏈的構型就發生了變化。如果對每一條短鏈所配對的位置都有針對性地設計，最終這條長鏈就會被折疊而成為一個設定的圖形，成為DNA折紙結構。

DNA折紙結構由于其結構精確可控，易于修飾，具備良好的生物相容性，而受到了廣泛的關注。近年來研究發現DNA雙螺旋具有導電性，pH響應性等特殊性質，從而為其生物芯片以及納米器件的研發方面開辟了新的可能。傳統的電子元器件由于其本身的局限性，如尺寸大小、微觀結構設計和生物相容性等問題，限制了其最終的發展。DNA結構元件相比之下具備天然的優勢，DNA雙螺旋可以通過堿基互補配對原則將結構尺寸精度控制在埃量級（10^-10），其3’、5’端易于修飾各種化學基團，同時其良好的生物相容性更是其他材料無可比擬的。

本發明制備了2種離子濃度響應的DNA結構元件。通過改變離子濃度的大小，DNA折紙結構發生可逆的形狀變化。這一性質可以應用于未來的電子元件領域，尤其是人工植入或可穿戴器件；生化芯片研制；納米器件開發等領域。

技術實現要素：

為克服現有技術的不足，本發明提出了一種離子濃度響應的DNA結構元件及制備和應用。2種離子濃度響應的DNA二維折紙結構，該結構在溶液離子濃度變化時，可以隨之發生可逆的結構變化。

本發明的方法具體為：

一種離子濃度響應的DNA結構元件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）DNA三角形折紙結構的合成

將208條訂書釘鏈等量地溶解到MilliQ水中，使每條鏈的最終濃度為200nM，將M13mp18 單鏈DNA，100nM，與混好的208條短鏈，200nM，以摩爾濃度比1：10的比例混合在1×TAE-Mg²⁺溶液中，三羥甲基氨基甲烷（Tris）, 40mM；醋酸, 20Mm； 乙二胺四乙酸（EDTA）, 2 Mm； 醋酸鎂, 12.5mM；pH 8.0，其中M13mp18 單鏈DNA的最終濃度為5 nM，短鏈最終濃度為50nM；將混好的溶液放入PCR儀中, 設定反應程度95℃持續3分鐘，然后緩慢降溫至4℃，降溫速率為0.2℃/10s；

（2）DNA四邊形折紙結構的合成

將合成矩形折紙結構用的訂書釘鏈等量地溶解到MilliQ水中，使每條鏈的最終濃度為200nM；之后的合成方法同步驟（1）中三角形折紙結構的合成方法；

（3）改變離子濃度并用原子力顯微鏡觀察DNA結構變化

1）1×離子濃度

用1×TAE-Mg²⁺溶液將制備好的DNA折紙溶液稀釋10倍，取3ul滴在新解離的云母片上，靜置5分鐘，并用氮氣吹干；將制備好的樣品放在原子力顯微鏡（Moltimode Nanoscope VII, eeco）下觀察；

2）1/10×離子濃度

將制備好的DNA折紙結構用MilliQ水稀釋至濃度為0.5nM，此時TAE-Mg²⁺溶液的離子濃度變小，靜置10分鐘；取3ul滴在新解離的云母片上，靜置5分鐘，并用氮氣吹干，將制備好的樣品放在原子力顯微鏡下觀察；

3）恢復的1×離子濃度

再向步驟2）的溶液中加入10×TAE-Mg²⁺溶液，使得溶液離子濃度變為原濃度1 ×TAE-Mg²⁺，靜置10分鐘；取3ul滴在新解離的云母片上，靜置5分鐘，用氮氣吹干，將制備好的樣品放在原子力顯微鏡下觀察。

步驟（1）所述訂書釘單鏈DNA的核苷酸序列為2010年2月17日發表在J. AM. CHEM.SOC.第132卷，第3248-3249頁的題為Gold nanoparticle self-similar chain structure organized by DNA origami的論文的Supporting online information中的S11-S16頁所記載的從A01至Loop的DNA序列。

步驟（2）所述訂書釘單鏈DNA的核苷酸序列為為2012年3月13日發表在J. AM. CHEM.SOC.第134卷，第5516-5519頁的題為Inter-enzyme substrate diffusion for an enzyme cascade organized on spatially addressable DNA nanostructures的論文的Supporting online information中的S25-S28頁所記載的從13至226的DNA序列。

一種離子濃度響應的DNA結構元件，其特征在于，根據上述任一所述方法制備得到。

一種離子濃度響應的DNA結構元件的應用。

本發明的優點在于：本發明提出了2種離子濃度響應的DNA二維折紙結構，該結構在溶液離子濃度變化時，可以隨之發生可逆的結構變化；該DNA結構元件結構精確可控，易于修飾，具備良好的生物相容性；本發明中的制備方法簡單，可操作性強，能進一步滿足生物芯片以及納米器件的制作需求。

附圖說明

圖1為DNA三角形結構離子濃度為1×TAE-Mg2+時的原子力顯微鏡表征圖；

圖2為DNA三角形結構離子濃度為1/10×TAE-Mg²⁺時的原子力顯微鏡表征圖；

圖3為DNA三角形結構離子濃度由1/10×TAE-Mg²⁺恢復為1×TAE-Mg²⁺時的原子力顯微鏡表征圖；

圖4為DNA四邊形結構離子濃度為1×TAE-Mg²⁺時的原子力顯微鏡表征圖；

圖5為DNA四邊形結構離子濃度為1/10×TAE-Mg²⁺時的原子力顯微鏡表征圖；

圖6為DNA四邊形結構離子濃度由1/10×TAE-Mg²⁺恢復為1×TAE-Mg²⁺時的原子力顯微鏡表征圖。

具體實施方式

以下通過具體的實施例對本發明的技術方案作進一步描述。以下的實施例是對本發明的進一步說明，而不限制本發明的范圍。

實施例1

1、DNA三角形折紙結構的合成

將208條訂書釘鏈等量地溶解到MilliQ水中，使每條鏈的最終濃度為200nM。將M13mp18 單鏈DNA（100nM）與混好的208條短鏈(200nM)以摩爾濃度比1：10的比例混合在1×TAE-Mg²⁺溶液中（三羥甲基氨基甲烷（Tris）, 40mM；醋酸, 20Mm；乙二胺四乙酸（EDTA）, 2 Mm；醋酸鎂, 12.5mM；pH 8.0），其中M13mp18 單鏈DNA的最終濃度為5 nM，短鏈最終濃度為50nM。將混好的溶液放入PCR儀中, 設定反應程度95℃持續3分鐘，然后緩慢降溫至4℃，降溫速率為0.2℃/10s。

2、改變離子濃度并用原子力顯微鏡觀察DNA三角形結構的變化

（1）1×離子濃度

用1×TAE-Mg²⁺溶液將制備好的DNA三角折紙溶液稀釋10倍，取3ul滴在新解離的云母片上，靜置5分鐘，并用氮氣吹干。將制備好的樣品放在原子力顯微鏡（Moltimode Nanoscope VII, eeco）下觀察；

（2）1/10×離子濃度

將制備好的DNA三角形折紙結構用MilliQ水稀釋十倍至濃度為0.5nM，此時TAE-Mg²⁺溶液的離子濃度變小，靜置10分鐘。取3ul滴在新解離的云母片上，靜置5分鐘，并用氮氣吹干。將制備好的樣品放在原子力顯微鏡下觀察；

（3）恢復的1×離子濃度

再向步驟（2）的溶液中加入10×TAE-Mg²⁺溶液，使得溶液離子濃度變為原濃度1 ×TAE-Mg²⁺，靜置10分鐘。取3ul滴在新解離的云母片上，靜置5分鐘，用氮氣吹干。將制備好的樣品放在原子力顯微鏡下觀察。

實施例2

1、DNA三角形折紙結構的合成

將合成矩形折紙結構用的訂書釘鏈等量地溶解到MilliQ水中，使每條鏈的最終濃度為200nM。將M13mp18 單鏈DNA（100nM）與混好的訂書釘短鏈(200nM)以摩爾濃度比1：10的比例混合在1×TAE-Mg²⁺溶液中（三羥甲基氨基甲烷（Tris）, 40mM；醋酸, 20Mm；乙二胺四乙酸（EDTA）, 2 Mm；醋酸鎂, 12.5mM；pH 8.0），其中M13mp18 單鏈DNA的最終濃度為5 nM，短鏈最終濃度為50nM。將混好的溶液放入PCR儀中, 設定反應程度95℃持續3分鐘，然后緩慢降溫至4℃，降溫速率為0.2℃/10s。

2、改變離子濃度并用原子力顯微鏡觀察DNA四邊形結構的變化

（1）1×離子濃度

用1×TAE-Mg²⁺溶液將制備好的DNA四邊形折紙溶液稀釋10倍，取3ul滴在新解離的云母片上，靜置5分鐘，并用氮氣吹干。將制備好的樣品放在原子力顯微鏡（Moltimode Nanoscope VII, eeco）下觀察；

（2）1/10×離子濃度

將制備好的DNA四邊形折紙結構用MilliQ水稀釋10倍至濃度為0.5nM，此時TAE-Mg²⁺溶液的離子濃度變小，靜置10分鐘。取3ul滴在新解離的云母片上，靜置5分鐘，并用氮氣吹干。將制備好的樣品放在原子力顯微鏡下觀察；

（3）恢復的1×離子濃度

再向步驟（2）的溶液中加入10×TAE-Mg²⁺溶液，使得溶液離子濃度變為原濃度1 ×TAE-Mg²⁺，靜置10分鐘。取3ul滴在新解離的云母片上，靜置5分鐘，用氮氣吹干。將制備好的樣品放在原子力顯微鏡下觀察。

實施例3

1、DNA三角形折紙結構的合成

將208條訂書釘鏈等量地溶解到MilliQ水中，使每條鏈的最終濃度為200nM。將M13mp18 單鏈DNA（100nM）與混好的208條短鏈(200nM)以摩爾濃度比1：10的比例混合在1×TAE-Mg²⁺溶液中（三羥甲基氨基甲烷（Tris）, 40mM；醋酸, 20Mm；乙二胺四乙酸（EDTA）, 2 Mm；醋酸鎂, 12.5mM；pH 8.0），其中M13mp18 單鏈DNA的最終濃度為5 nM，短鏈最終濃度為50nM。將混好的溶液放入PCR儀中, 設定反應程度95℃持續3分鐘，然后緩慢降溫至4℃，降溫速率為0.2℃/10s。。

2、改變離子濃度并用原子力顯微鏡觀察DNA三角形結構的變化

（1）1×離子濃度

用1×TAE-Mg²⁺溶液將制備好的DNA三角折紙溶液稀釋10倍，取3ul滴在新解離的云母片上，靜置5分鐘，并用氮氣吹干。將制備好的樣品放在原子力顯微鏡（Moltimode Nanoscope VII, eeco）下觀察；

（2）1/10×離子濃度

將制備好的DNA三角形折紙結構用MilliQ水稀釋十倍至濃度為0.5nM，此時TAE-Mg²⁺溶液的離子濃度變小，靜置1小時。取3ul滴在新解離的云母片上，靜置5分鐘，并用氮氣吹干。將制備好的樣品放在原子力顯微鏡下觀察；

（3）恢復的1×離子濃度

再向步驟（2）的溶液中加入10×TAE-Mg²⁺溶液，使得溶液離子濃度變為原濃度1 ×TAE-Mg²⁺，靜置10分鐘。取3ul滴在新解離的云母片上，靜置5分鐘，用氮氣吹干。將制備好的樣品放在原子力顯微鏡下觀察。