基于核酸结构的细胞功能仿生模拟研究

摘要

核酸作为遗传信息载体广泛存在于生命体系中，因其双链间严格遵循碱基互补配对原则，因此被用于构建各类具有不同功能的纳米结构。核酸结构由于具有良好的稳定性、可编程性和可设计性，因此被广泛地应用于分子机器的设计和仿生系统的构筑。本论文基于DNA核酸自组装结构和DNA纳米技术的独特优势，结合细胞膜囊泡仿生模型，通过模拟细胞的结构和功能，设计并构建了具有细胞自适应性行为以及人工细胞间的信号传导的仿生系统。具体研究内容如下：　　(1)在第2章中，我们通过DNA固相合成仪合成了脂质体修饰的核酸序列，该DNA序列具有类似于磷脂单体的双亲性，能在溶液中自组装形成的DNAmicelle结构。我们能通过其表面的核酸序列引发杂交链式反应，对DNAmicelle的大小进行调控。而且我们发现反应后的DNAmicelle结构为药物提供了丰富的附着位点，在表面修饰适配体后，DNAmicelle可对靶细胞进行识别，实现药物的靶向递送，并能有效杀死目标癌细胞。　　(2)在第3章中，我们选用了从细胞中提取的更接近于真实细胞的囊泡作为仿生模型进行研究。为了将DNA结构锚定在囊泡膜上，我们采用胆固醇修饰的DNA结构，并考察了三种不同的DNA结构(双链，三棱柱，四面体)在囊泡膜表面与单链序列进行支点介导的链置换的反应动力学。通过监测反应过程中囊泡膜上荧光变化情况，我们获得了不同DNA结构在膜表面的相互作用规律，可为后续研究奠定基础。　　(3)在第4章中，基于DNA链置换反应和杂交链式反应，我们在囊泡上构建了以DNA为基础的人工信号网络回路系统对细胞的自适应性进行模拟。通过将特殊功能的DNA序列锚定在囊泡表面锚定，引发仿生体系对外界刺激的响应，并且激活反馈回路消除刺激物，更重要的是，这种该仿生体系可以能实现对刺激物的多次循环响应。该部分工作为构建可对复杂环境刺激进行响应的人工细胞提供了新思路。　　(4)在第5章中，通过设计不同DNA纳米结构功能化修饰的仿生囊泡，我们构建了两种人工细胞。当两种不同的人工细胞相互靠近时，DNA纳米结构之间发生支点介导的链置换反应，反应产物能将膜上DNA纳米孔结构打开，从而实现不同人工细胞之间的信号传导通路激活，这部分工作为后续构建更为智能的人工细胞体系提供了研究基础。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 核酸的生物应用

1.1.1 核酸纳米结构用于生物传感

1.1.2 核酸结构用于细胞成像

1.1.3 核酸结构用于药物递送

1.1.4 核酸结构对生物网络的模拟

1.1.5 核酸与囊泡结合在仿生领域的应用

1.2囊泡结构

1.2.1 脂质体囊泡与聚合物囊泡的差异

1.2.2囊泡的制备

1.2.3 囊泡的应用

1.3人工细胞模拟生命功能

1.3.1 细胞膜模拟

1.3.2 细胞内组分仿生模拟

1.3.3 自适应功能模拟

1.4本研究论文的构想

第 2 章 双亲性 DNA 结构构建及应用的探索

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂与仪器

2.2.2 DNA 合成

2.2.3 micelle 结构表征

2.2.4 Dox 负载表征

2.2.5 细胞培养

2.2.6 Mcelle 靶向能力表征

2.2.7 Micelle 内在化表征

2.2.8 细胞毒性表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 DNA micelle 纳米结构的构建思路

2.3.2 双亲性 DNA 单体的合成

2.3.3 Micelle 结构的表征

2.3.4 Dox 嵌入纳米结构表征

2.3.5 细胞靶向能力考察

2.3.6 DNA micelle 结构内在化考察

2.3.7 细胞毒性考察

2.4 小结

第 3 章 DNA 结构在膜表面链置换反应的研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂与仪器

3.2.2 囊泡的制备

3.2.3 DNA 结构形成表征

3.2.4 DNA 结构溶液反应表征

3.2.5 DNA 结构锚定表征

3.2.6 DNA 结构在膜表面反应速度表征

3.2.7 DNA 结构反应效率表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 膜表面链置换反应的设计思路

3.3.2 DNA 结构的制备与表征

3.3.3 DNA 结构在膜上的锚定

3.3.4 考察不同结构在膜上所进行链置换反应特异性

3.3.5 考察不同结构在膜上进行链置换反应速度

3.3.6 链置换反应效率考察

3.4 小结

第 4 章 构建 DNA 网络回路模拟细胞自适应性

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 试剂与仪器

4.2.2 DNA 反应

4.2.3 溶液中反应验证

4.2.4 膜上感受器锚定

4.2.5 感受器对 stimulus 序列的识别

4.2.6 考察酶对反应体系的影响

4.2.7 自适应体系构建

4.2.8 可循环性考察

4.3 结果与讨论

4.3.1 DNA 仿生网络回路构建思路

4.3.2 反应可行性预测

4.3.3 溶液中的杂交链式反应

4.3.4 链置换反应验证

4.3.5 DNAzyme 剪切反应

4.3.6 蛋白酶介导的剪切底物延伸

4.3.7 溶液中 DNA 构建的类稳态环境

4.3.8 膜上感受器的锚定

4.3.9 对 stimulus 序列的识别

4.3.10 DNAzyme 对 stimulus 的剪切

4.3.11 考察体系中对 stimulus 的选择性

4.3.12 考察酶对膜上 DNA 聚合物的解离作用

4.3.13 DNA 自适应体系的构建

4.3.14 DNA 自适应体系可循环性考察

4.4 小结

第 5 章 模拟细胞间信号传导和交流

5.1 前言

5.2 实验部分

5.2.1 试剂与仪器

5.2.2 DNA 结构的制备及表征

5.2.3 DNA 结构在溶液中反应表征

5.2.4 DNA 结构在 GMVs 表面的锚定

5.2.5 DNA 结构稳定性和识别特异性表征

5.2.6 人工细胞间 DNA 链置换反应表征

5.2.7 细胞间信号传导表征

5.3 结果与讨论

5.3.1 人工细胞间信号传导的构建思路

5.3.2 溶液中 DNA 结构的组装

5.3.3 溶液中 DNA 结构间的反应

5.3.4 GMVs 表面 DNA 结构的锚定

5.3.5 膜上 DNA 结构稳定性考察

5.3.6 膜上三棱柱结构对反应序列的识别

5.3.7 不同囊泡间三棱柱结构之间的反应

5.3.8 人工细胞间信号传导

5.4 小结

结 论

参考文献

附录 A 攻读学位期间发表的学术论文目录

致 谢