球形核酸（SNA）即DNA多功能化納米顆粒（NP），是DNA相關(guān)組裝、傳感和治療等應(yīng)用的關(guān)鍵納米單元。
球形核酸（SNA）即DNA多功能化納米顆粒（NP），是DNA相關(guān)組裝、傳感和治療等應(yīng)用的關(guān)鍵納米單元。SNA具有緊密嫁接的DNA鏈和由此帶來的諸多獨特性質(zhì)，包括可調(diào)的雜交活性、增強的/多價靶標(biāo)結(jié)合、陡峭的熔解轉(zhuǎn)變曲線、抗核酸酶/鹽穩(wěn)定性和無載體細(xì)胞攝取等。SNA合成通常始于水溶液中帶有巰基末端的DNA與金納米顆粒（AuNP）之間的相互作用。DNA和AuNP上的負(fù)電荷會導(dǎo)致強烈的庫侖排斥，不利于DNA接近金表面。為了克服此障礙，需要添加鹽以屏蔽靜電力，但這會增加NP團聚的風(fēng)險。Mirkin等人意識到這一點，采用逐步加鹽和延長陳化時間以最大化DNA負(fù)載量。同樣，表面活性劑也可用于穩(wěn)定AuNP。修飾有高密度DNA鏈的納米粒子（NP），也稱為球形核酸（SNA），廣泛用于可編程的DNA組裝、傳感、成像和治療。常規(guī)的SNA合成過程非常耗時，且需要格外小心以避免NP聚集。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄧兆祥等人報道了一種極其簡單、快速、高效且可望規(guī)模化制備的過程，作者稱之為“INDEBT”(Instantaneous Dehydration in Butanol)，可瞬間生成具有創(chuàng)紀(jì)錄的高DNA密度SNA。該方法依賴于DNA/NP混合物和丁醇相接觸時的快速除水。該過程產(chǎn)生均勻混合的DNA/NP脫水“固溶體”，大大加速了DNA在NP表面的Au-S鍵錨定反應(yīng)。與文獻中最先進的DNA修飾策略相比，丁醇中瞬間脫水（INDEBT）最高能使DNA密度增加至3倍左右。這種超致密的DNA嫁接反應(yīng)在幾秒鐘內(nèi)即可完成，所得SNA可用于高密度核-衛(wèi)星組裝體的構(gòu)建。這一工作使SNA合成變得輕而易舉，并使未來能夠探索具有超高DNA密度SNA的物理、化學(xué)和生物學(xué)效應(yīng)。該成果以“Flash Synthesis of Spherical Nucleic Acids with Record DNA Density”為題發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上。
A）操作流程；
（B-C）凝膠電泳結(jié)果顯示，隨丁醇：H2O體積比增加，檸檬酸鹽（B）和磺化三苯基膦（C）保護的15 nm AuNP表面DNA修飾量先緩慢增加（B）或幾乎不變（C），發(fā)生脫水（INDEBT）時DNA接枝量急劇增加。
A-D）通過冷凍和INDEBT獲得的系列尺寸（5-45 nm AuNP，21-89b DNA）SNA的電泳圖和熒光DNA定量；
（E）不同方法制備的SNA的DNA修飾密度對比。
圖3. 冷凍-INDEBT分步修飾及納米熒光探針制備
（A）通過冷凍-INDEBT分步過程獲得的DNA載量；
（B）雙鏈DNA修飾；
（C）納米探針表面帶FAM熒光標(biāo)簽DNA的釋放量；
（D）目標(biāo)DNA誘導(dǎo)帶FAM標(biāo)簽DNA釋放過程的熒光監(jiān)測。
圖4. INDEBT獲得的SNA用于高密度核-衛(wèi)星組裝
（A）組裝結(jié)果的凝膠電泳表征；
（B）基于TEM的組裝產(chǎn)物衛(wèi)星計數(shù)；
（C-D）以冷凍和INDEBT制備的DNA功能化AuNP和AuNR（金納米棒）為核組裝得到的核-衛(wèi)星結(jié)構(gòu)TEM圖像。
文章利用丁醇引起的瞬間脫水（INDEBT）實現(xiàn)SNA的秒速生成。該方法不需要特殊的設(shè)備、苛刻的條件和難以掌握的技巧，因而可望進一步擴大制備規(guī)模。新策略不僅減小了SNA制備過程的時間和失敗率，而且使DNA接枝密度達(dá)到了新記錄。這一進展對促進DNA納米技術(shù)的快速發(fā)展和SNA的廣泛應(yīng)用十分及時。該工作所實現(xiàn)的具有極高DNA密度的SNA將鼓勵人們進一步探索其獨特的化學(xué)和生物學(xué)效應(yīng)。丁醇萃取是分子生物學(xué)實驗室的常規(guī)技術(shù)，其在SNA合成中展示的新用途預(yù)示了INDEBT在化學(xué)/納米技術(shù)中進一步應(yīng)用的可能性。本文第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在讀博士生郝艷。文獻鏈接：Flash Synthesis of Spherical Nucleic Acids with Record DNA Density, J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI:10.1021/jacs.1c00568鄧兆祥，男，博士，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。2014年度國家杰出青年科學(xué)基金獲得者。1991-2000年于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系和化學(xué)系學(xué)習(xí)并獲理學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位，2000-2002年清華大學(xué)化學(xué)系博士后，2002-2005年美國普度大學(xué)化學(xué)系博士后。自2005年起任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系教授。研究工作緊扣生物分子（主要為DNA）和納米材料之間可控的物理和化學(xué)相互作用，如分子識別、選擇性表面吸附、粒子形狀和空間效應(yīng)、界面電子和能量轉(zhuǎn)移以及物性耦合等，結(jié)合凝膠電泳、電化學(xué)和光譜分析等手段，重點研究：（1）不同組成、形狀和物理、化學(xué)特性的納米材料穩(wěn)定可控的生物修飾方法；（2）用于精確控制納米材料表面配基數(shù)目（價態(tài)）以及監(jiān)測納米組裝過程的高效分離、分析方法；（3）強偶聯(lián)納米結(jié)構(gòu)的程序化組裝策略及在分析、傳感中的應(yīng)用。在Acc. Chem. Res.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，CCS Chem.，Sci. China Chem.，Nano Lett.，Adv. Mater.，Chem. Sci.，Small，Chem. Commun.等期刊發(fā)表SCI收錄論文100余篇。受邀在國內(nèi)外學(xué)術(shù)專著中撰寫5章，包括《DNA納米技術(shù)：分子傳感、計算與機器》（科學(xué)出版社），《Materials Science of DNA》（CRC出版社）和《DNA Nanotechnology: From Structure to Function》（Springer出版社）等。通用電化學(xué)模擬軟件ecNETSIM唯一作者（非商業(yè)用途免費）。曾獲中國化學(xué)會“青年化學(xué)獎”等獎項。應(yīng)邀擔(dān)任化學(xué)學(xué)報、中國化學(xué)快報、分析化學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報以及Analytical and Bioanalytical Chemistry期刊編委。文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號：材料人
