基于DNA折纸技术复杂纳米限域环境构建及功能探索

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1、基于DNA折纸技术复杂纳米限域环境构建及功能探索(申请清华大学理学博士学位论文)培养单位：化学系学科：化学研究生：王殿铭指导教师：刘冬生教授二○一七年四月ConstructionandFunctionalExplorationofComplexNano-confinedEnvironmentBasedonDNAOrigamiDissertationSubmitted toTsinghua Universityin partial fulfillment of the requirement for the degree of DoctorofPhilosoph

2、yinChemistrybyWangDianmingDissertation Supervisor:Professor Liu DongshengApril,2017摘要摘要细胞内各种生化反应及新陈代谢过程均是在限域环境中进行的。细胞内限域环境包含细胞质中的大分子限域、生物膜结构为膜蛋白等提供的限域环境以及由膜围绕形成的各种细胞器组成的微纳尺寸局部限域环境。限域环境对于维持细胞正常生理功能意义重大，它们调节生物分子的组装和修饰、为生化反应及物质运输提供特异性环境以及精确调控着细胞内物质和能量的传输。体外构建模拟细胞内限域环境的策略主要分为两类，即宏观尺度构建及

3、微纳尺度构建。目前科学家们已开发出多种在微纳尺度构建限域环境的体系，如囊泡、胶束、微凝胶等。然而，如何精确调节限域环境尺寸，调控限域环境中各分子的数目和位置仍然是该领域面临的重大问题。DNA折纸技术作为结构DNA纳米技术的重要分支，已被广泛的用于构筑各种微纳尺度精细组装结构。本文利用DNA折纸技术构建了尺寸精确可控的复杂纳米限域环境，并探究了纳米限域环境对物质传输、酶促反应、分子组装等行为的影响。首先，本论文利用DNA折纸技术构建了响应型纳米限域环境——可控开阖纳米孔道。通过控制孔道端口处单双链变化来实现孔道的可控开阖，并进一步对纳米尺度限域环境下物质传输进行

4、调控。孔道内部精确固定级联反应两个酶，当孔道关闭时，可有效限制底物分子自由扩散进入孔道内，从而降低酶促反应效率。本论文还对孔道尺寸进行了扩展，开发了不同尺寸的响应型纳米限域孔道。其次，本论文利用DNA折纸技术与框架诱导自主装技术相结合，构建了纳米膜限域环境，膜由苄醚型树状分子（DDOEG）构成。在每个膜内精确定位四个脂肪酶，该纳米限域膜会对溶液中的疏水底物分子进行富集，从而提高膜内酶促反应效率。同时，本论文也证实了该限域膜对底物富集的选择性及对其内部酶具有保护作用。最后，本论文利用DNA折纸术与DDOEG分子结合构建限域疏水纳米孔道，利用该疏水限域环境诱导温敏

5、性双亲分子DNA-b-PPO在孔道内部组装，并证明组装体为胶束结构。通过DNA折纸的可设计性，可精确调节组装体在孔道内位置。同时，我们还利用该限域环境中诱导组装体富集溶液中正硅酸乙酯，实现二氧化硅的原位可控生长。关键词：纳米限域环境；DNA折纸术；纳米孔道；纳米限域膜。IAbstractAbstractIntracellularconfinedenvironmentplaysanimportantroleinmaintainingthebasiccellularfunctionssuchasregulatingthepathwaysofbiomolecular

6、assemblyandpost-modification,providingspecificconditionsforbiochemicalreactionsanddirectingprecisetransportofsubstances/enegy.Theintracellularconfinedenvironmentcanbedefinedasthemacromoleculesinthecytoplasmconfiningbiologicalreactions,membranesconfiningmembraneproteinsororganellesco

7、nfiningseriesrelatedmetabolicprocessestorealizecertainfunctions.Twostrategiestosimulatetheintracellularconfinedenvironmentinvitrohavebeenproposed:macro-scaleconstructionandmicro/nano-scaleconstruction.Avarietyofmimickingsystemsinmicro/nanoscalehavebeenwelldevelopedduringlastdecades,

8、suchasvesicles,mice