一种四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构及组装方法

摘要

本发明公开了一种四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构及组装方法，包括DNA tiles结构ribbon‑like DNA nanostructures(RDN)和具有特异性连接链的一维四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列，RDN的表面设有捕获链，四氧化三铁纳米磁性颗粒表面结合有连接链，捕获链与连接链互补。本发明基于DNA tiles方法，通过在DNA tiles自组装结构RDN上设置特定的连接链将其与四氧化三铁纳米磁性颗粒结合，使所述特定的连接链转移至所述四氧化三铁纳米磁性颗粒的表面，进而形成具有特异性连接链的一维纳米磁性颗粒阵列。

权利要求

1.一种四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构，其特征在于：包括DNA tiles结构ribbon‑like DNAnanostructures（RDN）和具有特异性连接链的一维四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列，RDN结构的组装基于DNA tiles的自组装，RDN结构设有延伸出的捕获链；所述捕获链与修饰了生物素的连接链互补，四氧化三铁纳米磁性颗粒表面修饰有链霉亲和素，生物素与链霉亲和素特异性结合，使所述修饰了生物素的连接链转移至所述四氧化三铁纳米磁性颗粒的表面，进而形成具有特异性连接链的一维纳米磁性颗粒阵列。

2.根据权利要求1所述的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构，其特征在于：所述RDN结构通过三条DNA短链和两条DNA长链折叠成重复的矩形单元，相邻的矩形单元连接成长条带；三条DNA短链分别记为N1、N2和N3，两条DNA长链分别记为S1和S2。

3.根据权利要求2所述的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构，其特征在于：每个矩形单元的N1作为结合点，N1的5’端延伸有15个A的捕获链，所述捕获链与在3’端修饰了生物素的连接链互补，四氧化三铁纳米磁性颗粒表面修饰有链霉亲和素。

4.根据权利要求1 3任一项所述的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构的组装方~

法，其特征在于包括如下步骤：

（1）采用DNAtiles自组装方法制备阵列结构RDN，RDN的矩形单元设有捕获链；

（2）将修饰有生物素的连接链与RDN结构上的捕获链碱基互补配对结合，形成阵列结构RDN‑B；

（3）将修饰有链霉亲和素的四氧化三铁纳米磁性颗粒与RDN‑B结构结合，形成阵列结构RDN‑SA。

5.根据权利要求4所述的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构的组装方法，其特征在于：RDN结构的每个矩形单元上均延伸出1条15个A的单链作为捕获链，每1条连接链连接有1个生物素分子，捕获链与连接链通过碱基互补配对结合，使每个矩形单元上的捕获链和生物素分子数量相等；每个四氧化三铁纳米磁性颗粒上修饰有多个链霉亲和素分子，每一个链霉亲和素分子可以与多个生物素分子结合。

6.根据权利要求4所述的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构的组装方法，其特征在于：步骤（1）中，将DNA链S1、S2、N1、N2和N3结合形成阵列结构RDN，其中，每一条DNA链的浓度相等。

7.根据权利要求4所述的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构的组装方法，其特征在于：步骤（2）中，取等浓度的连接链和RDN结构在离心管内进行混合，用锡纸完全包裹离心管，室温下形成阵列结构RDN‑B。

8.根据权利要求4所述的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构的组装方法，其特征在于：步骤（3）中，将RDN‑B结构与修饰了链霉亲和素的四氧化三铁纳米磁性颗粒在33   37~

℃下水浴30   40 min形成阵列结构RDN‑SA。

~

9.根据权利要求4所述的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构的组装方法，其特征在于：所述四氧化三铁纳米磁性颗粒浓度为10 20 μg/ml，四氧化三铁纳米磁性颗粒尺寸为~

10 ± 2 nm。

说明书

一种四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构及组装方法

技术领域

[0001] 本发明涉及DNA纳米技术领域，特别是涉及一种组装四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构及组装方法。

背景技术

[0002] 由于金属粒子的磁性和均一的尺寸以及独特的化学和生物活性，磁性纳米颗粒在纳米电子学、纳米光子学和生物医学等领域具有潜在的应用价值。

[0003] 磁性纳米粒子能够识别非平行碱基对，因此DNA可以作为构建纳米结构的一部分使用。例如，DNA可以修饰多种不同类型的纳米材料，包括金属(如金和银)、半导体(如量子
点)和纳米磁性材料(如四氧化三铁磁性颗粒)等，并且能够使其功能化。DNA功能化的纳米
磁性粒子受到了研究学者们的广泛关注。通过控制纳米粒子搭载纳米磁性颗粒，可以生产
磁性定向药物或抗体，以及制造生物传感器等，可以在医疗诊断、药物输送、生物成像、催化
和超分子材料等领域体现广泛的应用价值。

[0004] 布雷克莫尔(Richard P.Blakemore)的研究团队在一种称为折叠螺旋体(Spirochaetaplicatilis)的趋磁细菌中发现一种大小均匀、数目不等的物质，其主要成分
为Fe3O4和Fe3S4，该物质能在外界磁场作用下呈线性排列，研究者将该物质命名为“磁小
体”。随着研究的深入，学者们发现磁小体的主要功能是导向作用，它控制着细胞的分裂甚
至是定向移动，因而将在许多领域有潜在的不可估量的应用价值。

[0005] Ned Seeman在1982年首次提出了结构DNA纳米技术，设想将六臂支链DNA自组装连接成有序的三维(3D)晶格，并在拓扑相结构上构建了一个与立方体相当的DNA结构；1998
年，Winfree等人提出了DNA tiles自组装的概念，其原理是将分支DNA通过粘性末端连接成
一维阵列结构。借助原子力显微镜，人们首次看到了DNA纳米结构的一维网格，DNA tiles结
构自组装技术为构建复杂的DNA纳米结构奠定了基础；今天，DNA纳米技术已经发展成为一
个独特的跨学科领域，与物理、化学、计算机科学、生物和材料科学等不同学科交叉，不同的
DNA纳米结构被设计了出来。DNA自组装可以产生复杂图案的纳米结构，也可以用于构建具
有可控间距和图案的各种纳米材料。然而，仍未有一种基于DNA tiles技术的一维纳米磁性
颗粒阵列结构能够模拟趋磁细菌中的磁小体阵列。

发明内容

[0006] 发明目的：本发明的目的之一是提供一种四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构，基于DNA tiles技术，将修饰了生物素的特定序列DNA链锚定到带状DNA tiles结构的特
定位置上，再将修饰了链霉亲和素的四氧化三铁纳米磁性颗粒通过生物素与链霉亲和素的
特异性结合，得到基于DNA tiles技术的四氧化三铁纳米磁性颗粒一维线性阵列的组装结
构，产率可达99％；本发明的目的之二是提供一种四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构
的组装方法。

[0007] 技术方案：本发明的一种四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构及组装方法，包括DNA tiles结构ribbon‑like DNA nanostructures(RDN)和具有特异性连接链的一维四
氧化三铁纳米磁性颗粒阵列，RDN结构设有捕获链，四氧化三铁纳米磁性颗粒表面结合有连
接链，捕获链与连接链互补；RDN结构的组装基于DNA tiles的自组装，RDN结构设有延伸出
的捕获链；所述捕获链与修饰了生物素的连接链互补，四氧化三铁纳米磁性颗粒表面修饰
有链霉亲和素，生物素与链霉亲和素特异性结合，使所述特定的连接链转移至所述四氧化
三铁纳米磁性颗粒的表面，进而形成具有特异性连接链的一维纳米磁性颗粒阵列。

[0008] 其中，为了保证能够形成预设且在室温下具有一定热稳定性的RDN结构并保证该结构的产率达到99％以上；所述RDN通过三条较短的DNA链(为了便于区分将其分别命名为
N1、N2和N3)和两条较长的DNA链(为了便于区分将其分别命名为S1和S2)折叠成重复的矩形
单元，相邻的矩形单元连接成长条带。所述捕获链碱基数量小于15个将会明显降低与所述
结合链的结合率，过长则对结合率提升不明显，因此设计15个A作为捕获链；即每个矩形单
元的N1作为结合点，N1的5’端延伸有15个A的捕获链，所述捕获链与在3’端修饰了生物素的
连接链互补，四氧化三铁纳米磁性颗粒表面修饰有链霉亲和素。

[0009] 本发明还提供了一种四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构的组装方法，基于DNAtiles方法，通过该方法首先合成DNA tiles结构ribbon‑like DNA nanostructures
(RDN)，在RDN上设置特定的连接链将其与生物素结合，四氧化三铁纳米磁性颗粒表面修饰
了链霉亲和素可以与生物素特异性结合，使所述特定的连接链转移至所述四氧化三铁纳米
磁性颗粒的表面，进而形成具有特异性连接链的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列结构。

[0010] 组装方法包括如下步骤：

[0011] (1)采用DNA tiles自组装的方法制备阵列结构RDN，RDN的矩形单元设有捕获链；

[0012] (2)将修饰有生物素的连接链与RDN结构上的捕获链碱基互补配对结合，形成阵列结构RDN‑B；

[0013] (3)将修饰有链霉亲和素的四氧化三铁纳米磁性颗粒与RDN‑B结构结合，形成阵列结构RDN‑SA。

[0014] 其中，步骤(1)中，将DNA链S1、S2、N1、N2和N3结合形成RDN DNA tiles带状结构，其中，每一条DNA链的浓度相等。

[0015] 步骤(2)中，RDN DNA tiles带状结构N1链上设置有捕获链，所述捕获链与所述修饰了生物素的连接链碱基互补，形成阵列结构RDN‑B；取等浓度的连接链和RDN结构在离心
管内进行混合，用锡纸完全包裹离心管，即在完全遮光条件、室温下形成阵列结构RDN‑B。

[0016] 步骤(3)中，将RDN‑B结构与修饰了链霉亲和素的四氧化三铁纳米磁性颗粒在33～37℃下水浴30～40min形成阵列结构RDN‑SA。所述四氧化三铁纳米磁性颗粒浓度为10～20μ
g/ml，该浓度范围内纳米磁性颗粒可以在RDN表面紧密排布定位组装，浓度过低纳米磁性颗
粒将无法紧密排布，浓度过高纳米磁性颗粒将过量，实际使用量根据RDN的浓度进行调整，
四氧化三铁纳米磁性颗粒尺寸为10±2nm。

[0017] 进一步地，RDN结构的每个矩形单元上均延伸出1条15个A的单链作为捕获链，每1条连接链连接有1个生物素分子，捕获链与连接链通过碱基互补配对结合，实现每个矩形单
元上的捕获链和生物素分子数量相等；为了提高链霉亲和素与生物素的结合效率，每个四
氧化三铁纳米磁性颗粒上修饰有多个链霉亲和素分子，每一个链霉亲和素分子可以与至多
四个生物素分子结合。其中，每个四氧化三铁纳米磁性颗粒上修饰大量链霉亲和素分子并
包覆其表面，每一个链霉亲和素分子可以与多个生物素分子结合，至多结合四个生物素分
子。

[0018] DNA tiles技术是一种快速发展的技术，为形成精确的结构提供了前所未有的支撑。DNA tiles是通过多个具有互补粘性末端的ssDNA(single‑strand DNA)通过碱基互补
配对自组装形成的一维结构。因为ssDNA是可复制的，所以成本低，可适用于大规模的生产；
另外，单分子折叠过程与反应物浓度无关，因此具有很高的产率，能形成更稳定的结构。

[0019] 本发明基于DNA tiles方法，通过在ribbon‑like DNA nanostructures(RDN)的DNA tiles结构上设置特定的连接链将其与四氧化三铁纳米磁性颗粒结合，使所述特定的
连接链转移至所述四氧化三铁纳米磁性颗粒的表面，进而形成具有特异性连接链的一维纳
米磁性颗粒阵列。本发明通过实现基于DNA的四氧化三铁纳米磁性颗粒的阵列结构组装方
法，实现四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列结构的表征。

[0020] 上述DNA tiles结构RDN的连接链上组装有四氧化三铁纳米磁性颗粒，RDN具有预先设计的规则有序形状，本发明需要实现纳米磁性颗粒的纳米级精确定位组装，由于原子
力显微镜具有纳米级分辨率，故选择在原子力显微镜下成像，实现对具有特异性连接链的
四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列进行表征。

[0021] 有益效果：

[0022] (1)本发明创新地提出基于DNA tiles方法以DNA纳米结构为载体，通过在ribbon‑like DNA nanostructures(RDN)的DNA tiles结构上设置特定的连接链将其与四氧化三铁
纳米磁性颗粒结合，使所述特定的连接链转移至所述四氧化三铁纳米磁性颗粒的表面，进
而形成具有特异性连接链的一维纳米磁性颗粒阵列，且组装结构的产率可达99％。

[0023] (2)本发明基于生物素与链霉亲和素特异性结合、DNA tiles结构的优点以及纳米磁性颗粒，利用DNA tiles的自组装设计出一种一维线性阵列结构，在该结构表面负载纳米
磁性颗粒，形成一种具有磁性的的一维阵列结构，使得实现标记磁性细胞内磁小体阵列结
构成为可能。

[0024] (3)采用本发明的组装方法，一方面，特异性连接链的数量、序列及空间位置可调控，实现四氧化三铁纳米磁性颗粒的一维有序阵列化；另一方面，其可以与纳米磁性颗粒结
合，在原子力显微镜下成像，实现对四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列结构组装的表征。

附图说明

[0025] 图1为本发明四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列结构组装方法的示意图；

[0026] 图2为本发明在DNA tiles结构ribbon‑like DNA nanostructures(RDN)上特异性修饰生物素进而形成修饰了生物素的DNA tiles阵列结构RDN‑B示意图；

[0027] 图3为本发明修饰了生物素的DNA tiles结构RDN‑B与修饰了链霉亲和素四氧化三铁纳米磁性颗粒结合形成的纳米磁性颗粒阵列结构RDN‑SA的示意图；

[0028] 图4为本发明DNA tiles结构ribbon‑like DNA nanostructures(RDN)的原子力显微镜表征图；

[0029] 图5为本发明具有特异性连接的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列结构的原子力显微镜表征图。

具体实施方式

[0030] 下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。

[0031] 以下实施例所用到的修饰了生物素的连接链、N1、N2、N3、S1和S2链均购于上海生工生物工程股份有限公司，修饰了链霉亲和素的四氧化三铁磁性颗粒购于南京东纳生物科
技有限公司。

[0032] 如图1所示，为本发明组装四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列结构示意图。四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列结构的组装方法基于DNAtiles方法，通过在DNA tiles结构ribbon‑like 
DNA nanostructures(RDN)上设置特定的捕获链15将其与在3’端修饰了生物素的连接链16
结合，使连接链16转移至所述RDN 13的表面，进而形成具有特异性连接链16的修饰了生物
素的RDN结构18。RDN结构13通过相邻的单元结构相互连接形成长条带矩形阵列；矩形单元
14通过三条较短的DNA链(N1、N2和N3)12和两条较长的DNA链(S1和S2)11折叠而成；较短的
链N1上伸出了15个A的链作为捕获链15，四氧化三铁纳米磁性颗粒19表面修饰了链霉亲和
素20，通过链霉亲和素20与生物素16的特异性结合22使四氧化三铁纳米磁性颗粒19转移至
所述具有特异性连接链16的修饰了生物素的RDN结构18的表面，进而形成具有特异性连接
的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列RDN‑SA结构21。RDN‑SA结构21可在原子力显微镜下成像，
实现对组装具有特异性连接的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列结构20的表征。

[0033] 本实施例的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列组装结构的组装方法包括以下步骤：

[0034] (1)制备DNA tiles结构ribbon‑like DNA nanostructures(RDN)‑连接链结构13；

[0035] (2)在3’端修饰了生物素的连接链16与RDN‑连接链结构13结合，形成DNA tiles结构ribbon‑like DNA nanostructures(RDN)‑生物素结构18；

[0036] (3)将表面修饰了链霉亲和素(SA)20的四氧化三铁纳米磁性颗粒19与DNA tiles结构ribbon‑like DNA nanostructures(RDN)‑生物素结构18通过链霉亲和素‑生物素特异
性结合形成具有特异性连接的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列结构21。

[0037] 如图2所示为本发明DNA tiles结构ribbon‑like DNA nanostructures(RDN)‑生物素结构18的示意图。图2中RDN结构是基于DNAtiles方法，采用矩形单元结构14，并将相邻
的矩形单元链连接成长条带而成；矩形单元14通过三条较短的DNA链(N1、N2和N3)12和两条
较长的DNA链(S1和S2)11折叠而成。所有较短的链N1、N2和N3，以及所有较长的链S1和S2浓
度均为50μM，构成25μL体系，在一起放置于PCR仪中退火从95℃经过2h退火到室温进行组
装。退火结束后得到DNA tiles结构ribbon‑like DNA nanostructures(RDN)，该结构结合
率高无需纯化，浓度约为2μM，完成上述步骤(1)的制备。

[0038] 如图4所示，为本发明DNA tiles结构ribbon‑like DNAnanostructures(RDN)13的原子力显微镜表征图。

[0039] 图2中的RDN结构13的N1链上5’端延伸15nt作为捕获链15，连接链16在3’修饰了生物素分子，长度为15nt。连接链16浓度为50μM，将体系放置于37℃下过夜，连接链16通过碱
基互补配对与捕获链15结合，组装到DNA tiles结构ribbon‑like DNA nanostructures
(RDN)上，得到DNA tiles结构ribbon‑like DNA nanostructures(RDN)‑生物素结构RDN‑B 
18，完成上述步骤(2)的制备。

[0040] 如图3所示，为本发明具有特异性连接的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵列结构RDN‑SA21示意图。从上述步骤中得到的DNA tiles结构ribbon‑like DNA nanostructures
(RDN)‑生物素结构RDN‑B 18中用移液器取2.5μL，加入11μL修饰了链霉亲和素20的四氧化
三铁纳米磁性颗粒19(1mg/mL)，在37℃下反应40min，表面修饰了链霉亲和素20的四氧化三
铁纳米磁性颗粒19与DNA tiles结构ribbon‑like DNA nanostructures(RDN)‑生物素结构
18通过链霉亲和素‑生物素特异性结合形成具有特异性连接的四氧化三铁纳米磁性颗粒19
阵列结构RDN‑SA21，完成步骤(3)的制备。

[0041] 将实施例步骤(3)中得到的具有特异性连接的四氧化三铁纳米磁性颗粒19阵列结构RDN‑SA21在原子力显微镜下进行表征。如图5所示为本发明具有特异性连接的四氧化三
铁纳米磁性颗粒阵列结构RDN‑SA21的原子力显微镜表征图。可以观察到的四氧化三铁纳米
磁性颗粒19呈有规律的线性排布，即证明了四氧化三铁纳米磁性颗粒上特异性结合DNA结
构(即RDN‑B结构18)的存在，说明基于DNA的具有特异性连接的四氧化三铁纳米磁性颗粒阵
列结构的组装成功。

[0042] 其中，本发明中所涉及的核素序列如下表1所示。

[0043] 表1

[0044]