合成膜通道可以通过DNA纳米技术构建

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  合成膜通道可以通过DNA纳米技术构建

  2012年11月21日

  据“科学”杂志报道,慕尼黑工业大学(TUM)和密歇根大学的物理学家已经证明合成膜通道可以通过“DNA纳米技术”构建。该技术采用DNA分子作为可编程建筑材料,用于定制设计,自组装,纳米级结构。研究人员提出的证据表明,他们的自然启发的纳米结构也可能像生物离子通道一样。他们的研究结果标志着合成膜通道作为分子传感器,抗菌剂和新型纳米器件驱动器的应用迈出了一步。

  在过去的三十年中,研究人员将DNA纳米技术从一个有趣的想法发展到一种新兴技术,其中包括一套方法工具箱和一系列纳米级物体,旨在展示其潜力。这里的新内容是DNA纳米技术可以用来模仿自然界中最广泛和最重要的纳米机器之一。

  为了隔绝来自外部世界的细胞内部,生命的所有三个领域中的生物都使用相同类型的屏障:由两层脂质分子制成的不可渗透的膜。这种膜也可以在细胞内发现,例如包裹细胞核,甚至包围多种病毒。并且为了在这个通用障碍的两侧的不同环境之间进行调解,自然提供了一种共同类型的通道。膜通道是由蛋白质制成的管状结构,其穿透屏障并调节内部和外部之间的材料和信息的双向交换。现在研究人员已经证明了第一个完全由DNA制成的人工膜通道,其特征提示了许多潜在的应用。 “例如,如果你想要在细胞内注入一些东西,你必须找到一种方法将一个洞打入细胞膜,这种装置可以做到这一点,至少对于模型细胞膜,” TUM教授Hendrik Dietz教授说,他是TUM高级研究所的研究员。

  在一种受天然通道蛋白启发的形状中,基于DNA的膜通道由42纳米长的针状茎干组成,内径仅为2纳米,部分由桶形帽盖住。盖子边缘周围的一圈胆固醇单元有助于装置“对接”。当茎干穿过它时形成一个脂质膜,形成一个看起来像真实物体一样的通道。 TUM慕尼黑卓越集群纳米系统倡议的联合协调员Friedrich Simmel教授解释说:“我们尚未用活细胞测试过这种情况,但脂质囊泡的实验表明,我们的合成装置将与右侧的双层脂质膜结合取向,使得茎既穿透膜并保持在表面,形成孔。

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  进一步的实验表明,所得到的孔隙具有与具有离子通道的天然细胞壁相当的导电性,表明它们可能像电压控制的门一样起作用。结果还表明,可以通过调整合成通道的精细结构细节来调节跨膜电流。为了测试DNA纳米技术装置的一种潜在应用,研究人员将它们用作“纳米孔”装置。用于几种不同的分子传感实验。这些证实通过观察电特性的变化,可以记录单个分子通过由DNA制成的合成膜通道。因为这种方法允许膜通道的几何和化学定制,所以它可以提供优于分别基于生物和固态纳米孔的两个其他分子传感器家族的优点。

  其他可能的应用仍有待研究。一种观念是模仿病毒或噬菌体的作用,突破靶细菌的细胞壁杀死它们。在基因治疗中,合成膜通道可用作纳米针以将材料注入细胞中。这些通道也可用于细胞代谢的基础研究。另一个想法是利用所谓的离子通量 - 在细胞膜中通过通道将材料移入和移出 - 来驱动受其他自然机制启发的复杂纳米装置。 “我们或许能够模仿天然离子泵,转运蛋白质和旋转马达,如负责合成ATP的酶,”迪茨说。 “我喜欢这个主意。这就是让我跑步的原因。“

  资料来源:Technische Universitaet Muenchen