[发明专利]链间交换由支架DNA达成的核酸结构及其合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及DNA纳米技术领域的核酸结构及其合成方法。更具体地讲，涉及利用支 架DNA达成的链交换合成纳米级别可控大小、形状、复杂度的二维和三维核酸结构的方法和 核酸结构本身。基于所得结构中每条短链DNA的可寻址性，可以获得具有特定孔穴和修饰的 核酸结构。

背景技术

上世纪八十年代，Seeman首次提出利用DNA碱基互补配对的原则可将DNA组装成复 杂的空间结构，开创了利用DNA作为纳米级构筑材料而非遗传信息载体的新领域，并将其命 名为DNA纳米技术。随后，研究人员通过构造不同基元模块，如DX(double-crossover)、TX (triple-crossover)模块、、十字模块和对称模块，并用模块组装得到各式各样的图形结构 (二维阵列，方形网格等)，但模块法组装是借助于小结构单元的碱基互补配对连接成较大 的图形结构，其尺寸和形状难以精确控制。

2006年，Rothemund提出了一个全新的名词：“DNA折纸术”(DNAorigami)。他将一 条基因组DNA长链(M13mp18)与数百条短链DNA混合，通过在特定位置的碱基互补配对进行 折叠连接，得到了三角形、五角星、笑脸等宛如折纸作品一般令人惊叹的复杂二维结构，比 通过模块DNA自组装方法得到的结构更为精密，堪称DNA纳米技术一次里程碑式的突破。

其后，基于DNA折纸术的成果层出不穷。2007年，Williamshih等人将M13mp18支架 折叠成六旋转纳米管，首次用DNA构造出三维结构，实现了由二维图形到三维结构的突破。 2009年，他们在纳米管的基础上提出蜂窝褶状模型，依次构建了桥式、瓶颈等多个单体和组 合结构。在随后研究中，他们又通过在每个单元内增删碱基，实现了图形整体扭曲或弯折角 度的精确控制，将三维DNA折纸术推向了一个新的高度。

发明内容

本发明的目的，就是为了提供一种链间交换由支架DNA达成的核酸结构及其制备 方法和用途。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种链间交换由支架DNA达成的核 酸结构，是通过支架DNA达成链间交换形成的具有可控大小和形状的二维或三维核酸结构， 该核酸结构包括一组平行的双螺旋和一段单链DNA，所述双螺旋由支架DNA通过折叠、链间 交换与多条短链DNA进行特异性匹配，经由退火反应形成，单链DNA为支架DNA中未形成双螺 旋的部分。

所述支架DNA包括M13mp18或其他指定序列的单链DNA；M13mp18为m13噬菌体基因 组DNA中一个环状单链DNA分子，共含有7249个核苷酸，其序列如SEQIDNO1所示。

所述的链间交换指的是支架DNA在相邻双螺旋相同位置的一对链交换位点处进行 连接的行为。即在核酸结构每行双螺旋间隔一定距离处设置多个链交换位点对，支架DNA的 折叠路径经由每一行双螺旋的链交换位点处进入相邻双螺旋相同位置的链交换位点，每行 双螺旋的链交换位点为2至500对，对同一行双螺旋，每个链交换位点对间的距离(链交换周 期)为4至416个核苷酸。通过链间交换将结构中相邻位置的双螺旋彼此连接起来，所有的链 间交换均通过支架DNA达成。

所述核酸结构为二维核酸结构，该二维核酸结构包含2至200行双螺旋，一段长单 链DNA和20至1000条至少部分与支架DNA匹配的短链DNA；每行双螺旋包含60至6000个核苷 酸，链交换周期为4至416；短链DNA在核酸结构中与支架DNA的匹配遵循碱基互补配对原则， 每条短链DNA的长度对同一结构可以相等且均小于400个核苷酸。对于单个核酸结构，其包 含的每条短链DNA是独特的，仅在结构中出现一次；对于不同的核酸结构，短链DNA可以相 同。