Pongphak Chidchob、Thomas G. W. Edwardson、Christopher J. Serpell 以及 Hanadi F. Sleiman 来自 McGill University 的 Department of Chemistry and Centre for Self-Assembled Chemical Structures (CSACS-CRMAA)。该研究于2016年3月21日发表在 *Journal of the American Chemical Society*（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 4416−4425），标题为 “Synergy of Two Assembly Languages in DNA Nanostructures: Self-Assembly of Sequence-Defined Polymers on DNA Cages”。本文属于单篇原创研究，以下为针对该研究的学术报告。

研究背景与目的

DNA 纳米技术利用碱基互补配对构建精细的二维和三维结构。然而，DNA 组装语言仅由四种碱基（A−T 和 G−C）构成，要构筑复杂结构通常需要大量不同序列的 DNA 链，这降低了可扩展性并可能增加组装错误。自然界中的蛋白质折叠不仅依赖氢键等定向相互作用，也广泛利用疏水相互作用形成高级结构。受此启发，该研究希望将疏水相互作用引入 DNA 纳米结构，从而扩展 DNA 纳米技术的组装语言。研究团队此前已经发展了基于亚磷酰胺化学的自动化固相合成方法，可制备单分散且序列可控的 DNA-聚合物偶联物。本研究的核心目的是系统研究序列定义的疏水聚合物在 DNA 笼上的自组装行为，探索聚合物的疏水重复单元数、亲疏水序列顺序、聚合物在 DNA 笼上的取向以及 DNA 笼几何结构对最终组装体的影响。

研究设计与实验流程

研究采用“clip-by-clip”方法构建 DNA 笼。立方体笼 C4 由四条 80 个碱基的 DNA 片段组装而成，每条片段包含四个单链区段，中间由六乙氧基甘醇（hexaethyloxy-glycol, HEG）间隔基连接。C4 的一个面上有四个单链结合位点；C8 则在上下两个面上共有八个结合位点。此外，研究还构建了三棱柱（TP）和五棱柱（PP）等不同几何形状的笼。

DNA-聚合物偶联物通过固相合成制备，包含 1,12-十二烷二醇（hexaethylene, HE）作为疏水单体，HEG 作为亲水单体。聚合物末端连接一段 19 个碱基的 DNA，其中 14 个碱基与笼上的单链区段互补。研究合成了一系列 HE 均聚物（HE_n-DNA，n=1−12）以及 HE/HEG 共聚物，以考察聚合物长度、序列和亲疏水比例对组装的影响。

实验流程主要包括：将 DNA 笼与 DNA-聚合物偶联物在含镁缓冲液中混合，从 95°C 退火至 4°C，实现一锅法组装。通过非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳（native PAGE）、原子力显微镜（AFM）、动态光散射（DLS）、透射电子显微镜（TEM）以及金纳米粒子标记等手段表征组装产物。此外，通过 Nile Red 染料包封实验、热变性实验、滴定实验以及分步组装实验考察结构的疏水核心、稳定性、协同性和组装动力学。

主要结果

在 C4 单面修饰 HE_n-DNA 的体系中，当 n=1−4 时，产物为单体笼。当 n≥5 时，形成离散的寡聚体。通过 native PAGE、AFM 和 DLS 表征，C4/HE6-DNA 主要形成二聚体和三聚体。随着 HE 重复单元数增加，笼的聚集数逐渐增大，表现出可量化的聚集行为。例如 HE7-DNA 可得到二聚体、三聚体和四聚体，HE8-DNA 可得到三聚体、四聚体和五聚体。这种聚集数的改变源于疏水核心体积的变化，表明聚合物的疏水长度决定了 DNA 笼的聚集数。

当使用含有相同疏水和亲水重复单元数但序列不同的共聚物时，大多数序列导致单体结构，只有 HE6-HEG6-DNA 例外。该序列中 HE 疏水段位于链末端，HEG 段靠近 DNA。AFM 显示该组装体形成环状结构，含有 3−5 个顶点，边缘长度约 30 nm。更长的疏水段（HE12-HEG6-DNA）则高产率形成中空的“甜甜圈形”环状结构，半径约 20 nm（DLS）或 27 nm（AFM）。HEG 段的长度影响环的直径和密度。这表明聚合物序列的精确控制可以调节疏水嵌段之间的相互作用，从而生成前所未有的 DNA 笼环状结构。

在 C8 双面修饰体系中，当 HE_n-DNA 的 n=1−6 时，产物为单体结构。与 C4 单面修饰不同，C8/HE6-DNA 的凝胶迁移率随 n 增加而增大，表明结构更紧凑。DLS 显示 C8/HE6-DNA 的水合半径（6.4 nm）小于 C8/DNA（7.1 nm），提示 HE 链在笼内部发生“握手”，形成疏水核心。Nile Red 包封实验证实了该疏水核心的存在。当 n≥7 时，出现二聚体或更高级结构，表明笼内最多可容纳每条聚合物链 6 个 HE 重复单元（共 48 个 HE 单元）。

笼几何结构对组装有显著影响。在单面修饰体系，三棱柱 TP3 用 HE6-DNA 可形成二聚体、三聚体和四聚体，而立方体 C4 和五棱柱 PP5 仅形成二聚体和三聚体。在双面修饰体系，三棱柱 TP6 可容纳最多 HE5（共 30 个 HE 单元），立方体 C8 可容纳 HE6（48 个 HE 单元），五棱柱 PP10 可容纳 HE7（70 个 HE 单元）。Nile Red 负载量也随笼尺寸增加而增加，PP10/HE6-DNA 的负载量约为 TP6/HE6-DNA 的 2.5 倍。

在组装动力学方面，一锅退火可形成预期的定量组装体。若将预先形成的笼和预先形成的 HE 胶束在室温混合，则不能有效形成定量组装体，说明预先形成的胶束难以被笼解离。但在 37°C 孵育后，HE7-DNA 和 HE8-DNA 体系可转化为笼的二聚体和三聚体，表明胶束可热力学重排为笼超结构。此外，同源二聚体（如 TP3-TP3 和 C4-C4）在室温下混合不发生交换，但在 37°C 下可发生重排形成异源二聚体 TP3-C4。

热变性分析显示 C8/HE6-DNA 的解链温度比 C8/DNA 提高 5.5°C，且熔融曲线半峰宽从 10.1°C 降至 4.0°C，表明 DNA 组装的协同性显著增强。C4/HE6-DNA 也表现出熔点提高 2°C 和半峰宽降低。滴定实验表明，在 C8 中加入不足量的 HE6-DNA 时，呈现“全或无”的结合行为，而加入未修饰 DNA 则产生中间结构，进一步证实疏水相互作用提高了组装协同性。

结论与意义

该研究证明了序列定义的疏水聚合物可以与 DNA 碱基配对协同作用，为 DNA 笼提供正交组装模式。通过调节疏水嵌段长度、聚合物序列顺序以及聚合物在笼上的取向，可以获得多种新结构：单体笼、定量笼聚集体、笼-胶束以及环状结构。这些 DNA-聚合物纳米结构可视为两亲性嵌段共聚物，但不同于常规嵌段共聚物的是，两种组分均为单分散且序列定义，疏水聚合物的位置也具有各向异性。该策略不仅扩展了 DNA 纳米技术的组装语言，还为开发蛋白启发的折叠模块提供了研究基础。此外，双面修饰形成的笼-胶束具有更好的结构稳定性和协同性，并能包封小分子，这在细胞递送和生物医学应用中具有潜在价值。

研究亮点

该研究的亮点在于首次系统揭示了序列定义疏水聚合物与 DNA 笼之间的协同组装规律。通过精确控制聚合物的单体和序列，实现了对疏水核心大小、笼聚集数以及最终组装形貌的调控。特别是发现了由特定序列诱导形成的 DNA 笼环状结构，这在以往 DNA 纳米结构中未见报道。此外，研究证明了疏水相互作用不仅改变组装模式，还显著提高 DNA 结构的稳定性和组装协同性，这为构建更稳定且功能化的 DNA 纳米器件提供了新思路。