天然DNA用于功能材料的研究进展

天然DNA用于功能材料的研究进展

·1008·化学通报2011年第74卷第11期http：//www．hxtb．org

天然DNA用于功能材料的研究进展

王彩飞安毅刘向东

（浙江理工大学材料与纺织学院*杭州310018）

摘要天然DNA由于其资源丰富、可生物合成再生、特有的双螺旋分子结构等特点而倍受材料研究者

关注。近年来，天然DNA已经广泛应用于环境净化、电子、光学和生物医用材料等领域。本文主要从DNA的

对小分子的选择吸附性和生物相容性这3个基本特性出发，归纳和描述近年天然DNA在作为功聚阴离子性、

能材料方面的应用研究。

关键词天然DNA金属纳米线碱基对空隙插入沟槽选择性吸附生物相容性

ProgressontheApplicationsofNaturalDNAasFunctionalMaterials

WangCaifei，AnYi，LiuXiangdong*

（CollegeofMaterialsandTextiles，ZhejiangSci-TechUniversity，Hangzhou310018）

AbstractNaturalDNAhasattractedmuchattentionfrommaterial-interestedresearchersduetoitsunique

doublehelixstructureandabundantandrenewableresources．Recently，ithasbeenwidelyappliedforenvironment

cleaning，electronic，opticalandbiomedicalmaterials．Inthisarticle，theapplicationsofnaturalDNAinfunctional

materialfieldwerereviewedfromitsbasicproperties，suchasanionicpolymericproperties，selectiveaffinitiesfor

smallmolecules，andbiocompatibility．

KeywordsNaturalDNA，Metal-nanowires，Intercalation，Groovebinding，Biocompatibility

DNA作为生物遗传物质广泛分布于自然界。DNA双螺旋结构的发现，使人类能够在分子水平上理

DNA研究主要被应用于基因工程、解生命，并因此奠定了生命科学的基础。目前，法医、历史和人类学

DNA作为一种新奇的功能高分子受到越来越多的关注，等不同领域。在传统高分子科学领域，以DNA

［1～3］。纵观近20年的相关研究为基础物质的材料科学正成为一个急速发展且充满活力的新研究领域

可以发现大部分DNA应用研究是以DNA双螺旋结构为基本出发点的。笔者曾在海外期刊发表报道，

［4］综述总结过DNA的应用进展，本文将进一步结合近3年该领域的最新研究成果，以DNA的3个基本

特性，即聚阴离子特性、对小分子的选择吸附性和生物相容性，作为3个研究方向分类、归纳和描述DNA于功能材料的应用。

天然DNA的3个基本特性如图1所示。其中，尤以高密度聚阴离子性质为重要，它是许多天然DNA应用研究的基础。DNA分子由2条相互盘绕的螺旋链组成，其直径大约为2nm。DNA的双螺旋骨架上有序排列着磷酸基阴离子，可结合金属离子、阳离子表面活性剂、聚阳离子等阳离子物质。DNA的第2个特性是选择吸附性。DNA的碱基对沿着链的螺旋线轴有规律的堆叠，碱基对与碱基对之间形

DNA的2个螺旋骨架在其外侧形成了2个一宽一窄、成约0.34nm的空隙，同时，深度大约相同的凹槽。

一些小分子可以插入到碱基对之间的空隙内，也可以被吸附在2个骨架的凹槽中。这2种吸附模式对

DNA常对一些致癌物质有较强吸附［5，6］。通过这种选择性小分子的结构有很高的选择性。研究表明，

DNA可以用做环保材料排除有毒污染物。DNA的第3个特性是它的完美的生物体适合性。DNA吸附，

存在于几乎所有生物体中，异种DNA在人体内几乎无排异现象，这是生物医用材料的基本条件。

DNA的应用还依赖于它的资源量。作为生物体中广泛存在的物质，天然DNA极为丰富。一个典浙江理工大学启动资金项目资助

2011-02-25收稿，2011-05-22接受

天然DNA用于功能材料的研究进展

http：//www．hxtb．org化学通报2011年第74卷第11期·1009·型的实例就是水产业的鲑鱼鱼白，作为一种水产业副产品，它常

常被丢弃或被用作家畜饲料。鲑鱼鱼白中DNA含量超过其总

干重的10%，并且较易提取加工。鲑鱼的捕捞和养殖产业每年

［7］为全世界提供超过240万吨的鲑鱼，经约算可生产3000吨以

上的DNA。含量较大的DNA来源还包括鲱鱼鱼白、扇贝等，甚

海外已经至一些人工培养的微生物也可用来生产DNA。目前，

有数家公司在出售天然DNA商品，总年产量约百吨。

1聚阴离子DNA

图1

Fig．1天然DNA的基本特性BasicpropertiesofnaturalDNADNA分子链上的阴离子呈与其他常见阴离子聚合物不同，

双螺旋状有规则排列。DNA“金属纳米线”是基于这个特性的

一个典型应用实例。DNA在水溶液中因双螺旋结构和阴离子的相互排斥作用，在大约100nm长的微观

但从DNA水溶液宏观特性观测，高分子量DNA又表现为柔性。这种微观刚水平呈硬直的刚性链段，

宏观柔性的特点使无序且相互缠结的DNA线团较易“梳理”为单一DNA分子链，并伸展为直线状。性、

［8］［9，10］［11］梳直和排列DNA分子较常用的方法有分子梳理、电泳拉伸和水动力拉伸等。DNA分子伸直

和定位后，用金属盐溶液处理DNA分子，金属离子通过离子键结合到DNA分子链上（图2a）。它再被还原成为粒径为10nm以下的金属粒子簇，并成为后续还原反应的催化剂，使金属微粒的粒径不断增

［12～15］［16，17］［18］［19，20］［21］［22，23］、、、直到反应结束。通过这种方法，包括银铂钯、镍钴、铜等多种DNA大，

“金属纳米线”Lu等［24］利用简单的光照方法合成了Ag-DNA纳米线，已被合成。最近，它是通过以DNA

+Ag纳米线的直径可通分子为模板结合Ag离子后，经阳光照射还原来形成Ag纳米粒子的。所得DNA-

Wirges等［25］使用化学法合成了更为精密的DNA-Ag纳过DNA的浓度和阳光照射时间来调节。此外，

+米线。他们首先向DNA分子导入二醇基团，并用高碘酸盐将其氧化为二醛，使之与Ag离子发生

+Tollens反应，形成极细小的银聚体，最后形成精细金属纳米线。因1个醛基可以还原2个Ag离子，形

成仅2个Ag原子的二聚体，这种双醛基团可形成仅4个Ag原子聚集的晶种。四聚体银微粒可说是体积最小的稳定金属晶种，对DNA分子的可控金属化有重大意义

。

除金属离子外，许多带正电荷的纳米粒子也被成

功结合到DNA分子上。用阳离子表面活性剂处理纳

米粒子可在纳米粒子表面上获得正电荷（图2b），与

DNA模板的离子作用可形成纳米线。十六烷基三甲

基溴化铵（CTAB）是一种常用来处理纳米粒子表面的

阳离子表面活性剂。有报道称，用CTAB成功处理银

团簇（3.5nm）和金团簇（18nm）的表面，再与DNA模

［26］板作用形成线性纳米结构。

阳离子表面活性剂与DNA反应可得到不溶于水

但可溶于一般有机溶剂、比较容易铸膜成型且DNA分

子的双螺旋结构仍可然被保持的DNA-阳离子表面活

Okahata等［27］性剂复合物。在一系列的研究报道中，

描述了DNA-阳离子表面活性剂复合物的制备方法和

特点。他们发现，当DNA-阳离子表面活性剂复合体铸图2DNA作为模板与阳离子作用（a）；DNA与十六烷基三甲基溴化铵作用形成纳米粒子（b）Fig．2DNAtemplatesreactingwithcationicsubstances（a），ananoparticleformedonsurfaceofDNAbyreactingwithCTAB（b）

DNA分子在膜中的排列方向沿着拉伸方向平行排列，膜被拉伸为原长的3倍时，并因而具有 …… 此处隐藏：11745字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……