[发明专利]一种基于光化学调控核酸分子链置换动力学的方法

说明书

本发明公开了一种基于光化学调控核酸分子链置换动力学的方法，对辅助链及带缺口的模板链进行合理的设计，无紫外光照条件下，在富含质子环境中可通过Hoogsteen氢键形成三链体结构从而引入小支点区域，触发核酸分子链置换反应；在体系中加入分子光开关材料螺吡喃分子，其在紫外光照下发生异构化反应，使得溶液中质子浓度下降，导致三链体结构无法稳定存在，即小支点区域无法形成，核酸分子链置换反应在一定程度上被抑制。本发明在模板链上修饰荧光基团，通过荧光强度的监测即可反映出核酸分子链置换反应的动力学与产率。本发明方法具有可编程，动力学可调的优点，在核酸分子纳米技术方面具有巨大的应用潜力。

技术领域

本发明属于核酸分子纳米技术领域，涉及一种基于光化学调控核酸分子链置换动力学的方法。

背景技术

核酸分子纳米技术使用核酸(或DNA)作为通用材料来合理设计各种分子工具和分子装置以实现多种应用(例如体内成像，临床诊断，药物递送等)。核酸凭借其简单的碱基配对原则和纳米级尺寸，作为组装和工程化复杂分子结构的理想构筑模块，具有极高的准确性和精确性。对核酸热力学相互作用的精确预测和模拟有望实现可编程多功能性核酸分子纳米装置的构建，极大推进核酸分子纳米技术的发展。

核酸分子链置换作为一种动态核酸分子纳米技术，是在核酸分子自组装技术的基础之上发展出来的。利用核酸分子单链间严格的碱基互补配对得到预杂交链，然后与进攻链反应，进而释放核酸单链产物。因其反应进程的可编程性以及动力学特征的可预测性等优点使得核酸分子链置换技术在构建一系列纳米功能装置方面展现出巨大的优势。近年来，尽管核酸分子链置换反应已得到广泛的应用，但调控核酸分子链置换反应动力学的方式报道较少。而核酸分子链置换反应动力学的调控对于复杂纳米结构的设计及功能性核酸分子纳米器件的构建至关重要。因此，丰富调控策略以实现核酸分子链置换反应动力学的调节对于全面发展核酸分子纳米技术的潜力至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光化学调控核酸分子链置换动力学的方法。与现有调控方法不同的是，本发明无须进行光敏基团修饰，仅通过在体系中加入分子光开关材料螺吡喃(SP)，在紫外光照条件下发生异构化反应，与体系中的质子形成复合体，引起体系中质子浓度的改变，即可实现核酸分子链置换反应动力学调控。

本发明实现基于光化学调控核酸分子链置换反应的机理如图1所示，具体内容如下所述：

对辅助链及带缺口的模板链进行合理的设计，在无紫外光照条件下，辅助链与带缺口的模板链通过Hoogsteen氢键形成三链体结构从而引入小支点区域，即小支点区域形成，进攻链与小支点区域发生碱基互补配对进而触发分支迁移过程，原本的带有荧光基团的绑定链被释放出来，核酸分子链置换反应正常进行。在体系中加入分子光开关材料螺吡喃(SP)分子，在紫外光照下，分子光开关材料螺吡喃(SP)将发生异构化反应为开环态部花菁(MC)，然后与体系中的质子相结合即被质子化为MCH⁺，引起体系中质子浓度减小。质子浓度的减小导致三链体结构在一定程度上无法稳定存在，即小支点区域无法形成，从而使得核酸分子链置换反应的动力学在一定程度上被抑制。本发明在模板链上修饰荧光基团，通过荧光强度的监测即可反映出核酸分子链置换反应的动力学与产率。

利用分子光开关材料螺吡喃来实现核酸分子链置换反应的前提在于质子响应的核酸分子链置换反应的设计，需要具有合适的质子响应范围及一定的质子响应灵敏度。本发明通过设计具有比较好质子响应范围的三链体复合物(图1c中所标复合物结构)来响应分子光开关材料螺吡喃在紫外光照下所带来的质子浓度改变。

根据上述原理，本发明采用如下的技术方案：

本发明提供了一种基于光化学调控核酸分子链置换动力学的方法，包括以下步骤：