1、DNA是一種由A、T、G、C四種核苷酸組成的雙螺旋生物大分子，通常作為遺傳信息的載體在生命體內(nèi)起到存儲(chǔ)和復(fù)制遺傳信息的作用。在DNA納米技術(shù)領(lǐng)域，DNA作為一種結(jié)構(gòu)精確的反應(yīng)基元被廣泛用于分子器件的構(gòu)建，DNA分子計(jì)算、疾病診斷，以及生物傳感等。其中，以基于黏性末端(toehold)的DNA鏈替換反應(yīng)構(gòu)建的催化循環(huán)網(wǎng)絡(luò)體系尤其引起人們的興趣。在這些體系中，DNA目標(biāo)鏈的功能類(lèi)似于化學(xué)反應(yīng)中的催化劑，可以通過(guò)一系列的DNA鏈替換反應(yīng)驅(qū)動(dòng)D

2、NA分子機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而自身不被消耗。
　　由于具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，金納米粒子近年來(lái)受到人們的廣泛關(guān)注。自從上世紀(jì)九十年代中期DNA-金納米粒子復(fù)合物被Mirkin等人成功制備以來(lái)，這種DNA功能化的金納米粒子已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于體內(nèi)外檢測(cè)、細(xì)胞轉(zhuǎn)染、基因調(diào)控以及晶體結(jié)構(gòu)組裝等領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的DNA-金納米粒子組裝體系中，DNA連接鏈(linker)的兩端直接與兩種金納米粒子表面的DNA探針互補(bǔ)連接，從而完成金納米粒子的組裝。但是這

3、種“直接連接策略”功能單一，無(wú)法對(duì)金納米粒子組裝過(guò)程進(jìn)行精確的調(diào)控。尤其是在需要DNA-金納米粒子實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能的體系中，這種簡(jiǎn)單策略就更難以實(shí)現(xiàn)了。因此很大程度上限制了金納米粒子組裝體系的進(jìn)一步應(yīng)用。
　　在本論文中，通過(guò)將DNA-金納米粒子組裝體系和toehold協(xié)助的DNA鏈替換反應(yīng)相結(jié)合，我們構(gòu)建了一系列DNA分子機(jī)器調(diào)控的金納米粒子組裝體系對(duì)金納米粒子的恒溫組裝過(guò)程進(jìn)行精確的動(dòng)態(tài)控制。首先，研究了金納米粒子表面DNA鏈

4、替換反應(yīng)的特性。研究發(fā)現(xiàn)金納米粒子表面接枝的DNA入侵鏈toehold長(zhǎng)度為7和8時(shí)造成的DNA鏈替換反應(yīng)速率躍變的現(xiàn)象是由于金納米粒子表面的高DNA鏈接枝密度引起的。此研究加深了對(duì)金納米粒子表面DNA鏈替換反應(yīng)特性的理解，同時(shí)有助于指導(dǎo)DNA-金納米粒子恒溫組裝體系的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。
　　多輸入DNA邏輯門(mén)可以進(jìn)行復(fù)雜邏輯運(yùn)算，在DNA檢測(cè)中能同時(shí)檢測(cè)多種致病基因。由于金納米粒子和金納米棒有兩個(gè)互不干擾的紫外吸收峰，在第三章中將DN

5、A修飾的金納米粒子和金納米棒組合，利用它們的紫外吸收峰值變化作為輸出信號(hào)，通過(guò)DNA分子機(jī)器驅(qū)動(dòng)金納米粒子和金納米棒的組裝，構(gòu)建了兩種多輸入DNA邏輯門(mén)[(A AND B)AND(C AND D)]和[(A OR B)AND(C OR D)]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這兩種多輸入邏輯門(mén)均可區(qū)分多種目標(biāo)鏈輸入情況，且信號(hào)可讀性好易于分辨。相信這種方法不僅可以同時(shí)檢測(cè)多種目標(biāo)DNA，而且在復(fù)雜邏輯運(yùn)算方面也有應(yīng)用前景。
　　原理上，toehold

6、協(xié)助的DNA鏈替換反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的金納米粒子組裝體系可以進(jìn)一步組合成多級(jí)的復(fù)雜循環(huán)網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建DNA分子機(jī)器驅(qū)動(dòng)的DNA-金納米粒子多層組裝體系面臨的主要挑戰(zhàn)是多級(jí)系統(tǒng)中多種核酸組分之間的復(fù)雜相互作用和泄露行為造成的消極影響。在第四章的工作中，通過(guò)計(jì)算模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，研究了DNA催化循環(huán)體系的動(dòng)力學(xué)性能和泄露行為，并且實(shí)現(xiàn)了DNA分子機(jī)器驅(qū)動(dòng)的DNA-金納米粒子的二級(jí)和三級(jí)級(jí)聯(lián)組裝。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DNA序列的toehold長(zhǎng)度和DNA分子機(jī)器

7、的摩爾比對(duì)構(gòu)建性能穩(wěn)定的多級(jí)組裝體系具有十分重要的影響。DNA多層級(jí)聯(lián)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建有助于擴(kuò)展復(fù)雜DNA生物化學(xué)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。
　　在第五章的研究中我們注意到，受限于金納米粒子表面接枝DNA序列特異性的影響，DNA-金納米粒子復(fù)合探針只能針對(duì)特定的DNA目標(biāo)序列進(jìn)行檢測(cè)，因而使檢測(cè)的復(fù)雜程度和成本大大提高，降低了實(shí)用性。針對(duì)該問(wèn)題，在前期工作的基礎(chǔ)上，我們構(gòu)建了一種DNA鏈替換催化循環(huán)體系與DNA-金納米粒子組裝的二級(jí)串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

8、上層的DNA催化循環(huán)網(wǎng)絡(luò)釋放的DNA連接鏈可以將下層的DNA-金納米粒子組裝體系串聯(lián)起來(lái)。經(jīng)過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)DNA序列設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化后，該體系在單核苷酸多態(tài)性區(qū)分中表現(xiàn)優(yōu)異。無(wú)論DNA目標(biāo)鏈在任何位點(diǎn)發(fā)生單堿基錯(cuò)配，插入，或者缺失，都可通過(guò)正常鏈和突變鏈的DNA鏈替換反應(yīng)引起的金納米粒子組裝速率差異而進(jìn)行有效的區(qū)分。該方法不需要針對(duì)不同的DNA目標(biāo)鏈重新設(shè)計(jì)DNA-金納米粒子復(fù)合物，節(jié)省了資金和時(shí)間成本。
　　在前幾章的研究體系中，D

9、NA-金納米粒子的組裝動(dòng)力學(xué)速率主要依賴(lài)于體系內(nèi)toehold長(zhǎng)度以及序列組成進(jìn)行調(diào)控，而pH，溫度，以及光照等外部影響因素很難影響到體系的組裝速率。為了增加DNA-金納米粒子組裝體系的調(diào)節(jié)因素從而對(duì)其進(jìn)行更精確的調(diào)控，在本論文最后一章中通過(guò)引入C+-GC三鏈DNA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種pH響應(yīng)的DNA分子機(jī)器調(diào)控的金納米粒子組裝體系。通過(guò)調(diào)節(jié)體系中pH可以改變DNA分子機(jī)器的構(gòu)象，從而有效調(diào)控DNA-金納米粒子體系的組裝動(dòng)力學(xué)。
　　綜