【儀表網 儀表研發(fā)】近日，中國科學院上海高等研究院光源科學中心物理生物學研究室、中國科學院上海應用物理研究所和上海交通大學合作發(fā)展了一種用單鏈DNA編碼金納米粒子的方法，并實現了動態(tài)“納米”分子反應。該方法通過設計一條多嵌段的單鏈DNA序列，可以賦予金納米粒子類似原子的離散價態(tài)和正交價鍵。這些“納米”原子則可通過DNA分子反應組裝成各向異性的“納米”分子，并進而產生“納米”分子反應。
 

　　脫氧核糖核酸(英文DeoxyriboNucleic Acid，縮寫為DNA)是生物細胞內含有的四種生物大分子之一核酸的一種。DNA攜帶有合成RNA和蛋白質所必需的遺傳信息，是生物體發(fā)育和正常運作必不可少的生物大分子。DNA由脫氧核苷酸組成的大分子聚合物。脫氧核苷酸由堿基、脫氧核糖和磷酸構成。其中堿基有4種：腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。
 

　　DNA 分子結構中，兩條多脫氧核苷酸鏈圍繞一個共同的中心軸盤繞，構成雙螺旋結構。脫氧核糖-磷酸鏈在螺旋結構的外面，堿基朝向里面。兩條多脫氧核苷酸鏈反向互補，通過堿基間的氫鍵形成的堿基配對相連，形成相當穩(wěn)定的組合。
 

　　對微觀尺度的分子或材料進行精確的動態(tài)調控，體現了人類對微觀世界的認知與操控能力。然而，對納米粒子的精確動態(tài)調控仍然充滿挑戰(zhàn)。在生物體中，生物分子機器具有極為精巧的結構并受到嚴密的時空調控，而這些復雜結構的時空排布信息是由一維的DNA分子序列所編碼而成的。受此啟發(fā)，該團隊提出利用多嵌段的單鏈DNA序列來編碼金納米粒子表面的價鍵信息，進而構建具有離散價態(tài)與正交價鍵的“納米”原子。
 

　　納米粒子是指粒度在1―100nm之間的粒子(納米粒子又稱超細微粒)。屬于膠體粒子大小的范疇。它們處于原子簇和宏觀物體之間的過度區(qū)，處于微觀體系和宏觀體系之間，是由數目不多的原子或分子組成的集團，因此它們既非典型的微觀系統亦非典型的宏觀系統。
 

　　納米粒子表面活化中心多，這就提供了納米粒子做催化劑的必要條件。目前，用納米粒子進行催化反應可以直接用納米微粒如鉑黑、銀、氧化鋁、氧化鐵等在高分子聚合物氧化、還原及合成反應中做催化劑，可大大提高反應效率，利用納米鎳粉作為火箭固體燃料反應觸媒，燃燒效率可提高100倍；催化反應還表現出選擇性，如用硅載體鎳催化劑對丙醛的氧化反應表明，鎳粒徑在5nm以下時選擇性急劇變化，醛分解得到控制，生成酒精的選擇性急劇上升。
 

　　以這些“納米”原子為基元，可以通過正交的DNA配對自組裝形成具有精確顆粒數和各向異性的“納米”分子。而這些“納米”分子在合成后仍然具備可重排的能力。因而，利用DNA鏈取代反應，可以引發(fā)動態(tài)的“成鍵”與“斷鍵”，模擬加成、分解、置換和復分解等多種基本化學反應。他們還基于這一體系設計了單顆粒邏輯門，并集成為“投票機”邏輯電路。當多數輸入信號為正(“贊成票過半”)時，“納米”分子解離；當只有少數信號為正時，“納米”分子不發(fā)生解離反應。這些精確組裝而具有動態(tài)響應能力的納米“原子”和“分子”有望應用于生物智能診斷與治療等領域。