[发明专利]一种DNA三维纳米结构人工酶前体及其制备与应用

说明书

技术领域

本发明涉及生物技术领域，具体涉及一种DNA三维纳米结构人工酶前体及其制备与应用。

背景技术

人工酶在生物医学和化学工业等领域研究中拥有巨大的应用潜力，同时它也是科学家研究蛋白质催化原理的重要工具。天然酶是生物长期进化的结果，而人工酶则是科学家通过模拟生物进化的过程，按照蛋白质的形成规律，从而达到改造蛋白质的目的而构建的。人工酶的构建不仅使我们能够充分地利用自然界存在的基因和蛋白质，而且还能在分子水平上对蛋白质进行设计和改造，在短期内完成自然界几百万年进化才能完成的过程，进而创造出自然界不存在的蛋白质。传统的人工酶是通过基因工程的手段构建的，该方法不仅繁琐、耗时而且进化效果与预期相差甚远，经常需要重新设计并进行改造，从而导致需要经历多次实践摸索才能达到改进蛋白质性能的目标。科学家们常用的构建人工酶的方法是将一个天然酶的催化活性中心迁移到另一个生物分子或人工分子骨架上，从而形成新的人工酶。

某些核酸和酶蛋白一样，也具有催化作用，我们称之为核酸酶。G-四链体(G-quadruplex)是一段富G碱基的DNA序列。它可以与辅酶血红素(hemin)结合，形成具有过氧化物酶催化活性的复合物(简称为G4-DNAzyme)。该酶已被广泛用于生物分子、金属离子以及基因的检测中。虽然核酶并不具有蛋白质一样的高度多样化的功能基团且催化能力较弱，但由于核酸比蛋白质性质稳定、结构简单、容易贮存而且制备简单，因此人们一直致力于研究并改进这些核酸酶，期望提高其底物特异性和催化活性，从而使其能够应用于工业生产中。根据调查研究，推测这些核酸酶的催化活性较低，是由于没有精妙的生物分子骨架为其提供足够的化学环境，从而降低其稳定性以及催化能力。因此，可以为核酸酶构建一个精密坚固的骨架以提高这些核酸酶的催化活性。

DNA纳米技术的出现为达到上述目的提供了新的解决方法。它使得我们不仅可以构建具有动态结构的DNA纳米结构，而且可以控制其形态以及性质。同时这些构建的DNA纳米结构不仅能够跨越三维空间的界限，而且生物相容性好，因此它们已经成为蛋白质、DNA、RNA、纳米颗粒以及药物等生物分子的优良载体。其中，四面体DNA则是现有的纳米结构中最成熟和稳定的DNA纳米结构。它最早是由英国牛津大学的Tuberfield小组在2004年设计并构建的。该DNA四面体是由4条DNA单链组成，每条DNA单链长度均为55个碱基，每条棱为17个碱基杂交形成的双链，所构成的直径为7nm左右的正四面体三维结构。利用碱基互补的特性，只需要经过一个简单的退火过程，即可在十分钟内完成自组装过程。由于DNA四面体设计简单、制备容易、结构及性质稳定并且形状可控，因此它被认为是蛋白、纳米颗粒、适配体以及microRNA的优良载体。2005年，Goodman等又进一步优化和改进，使得四面体的组装效率可以高达95％，并且具有良好的机械刚性。2006年Tuberfield利用DNA双链结构的稳定性和周期性的特点，成功地将细胞色素c修饰在DNA四面体的空腔内，可以调控细胞色素c与外界生物分子的作用，具有潜在的生物医学应用。2010年樊春海课题组将DNA四面体进行修饰，使其三个顶点带上巯基，与金电极相互作用连接到电极上，发展了一种基于DNA四面体纳米结构的分子传感平台。2010年Willner等将G-四链体DNA酶(G4-DNAzyme)组装在金电极，揭示了它的生物电催化能力和催化还原H₂O₂的活性，被用来开发电化学传感器追踪葡萄糖氧化酶的活性以及检测DNA或低分子量底物(AMP)。这种方法的优势是无需对DNA酶-底物进行荧光标记；DNA酶组装在金电极上形成单层结构，减少了传感矩阵的容量，还可以再生传感表面；普通的光学传感平台缺少一个放大元件，DNA酶电催化的特性可以放大传感事件。电化学检测方法具有操作简单、快速、灵敏、准确、仪器简便、易于微型化、集成化、能耗低、适用于即时检测、床边检测等独特的优势，因而在临床检测、科学研究中具有非常大的潜力。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种DNA四面体纳米结构人工酶前体，所述DNA四面体纳米结构人工酶前体相对于传统核酶，具有稳定性好，催化活性高，灵敏度高的优点。

本发明的另一目的在于提供所述DNA四面体纳米结构人工酶前体的制备方法及其应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：