一种半封闭的纳米催化反应器及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种半封闭的纳米催化反应器及其制备方法与应用。通过将脚手架DNA单链、未修饰生物素的订书钉DNA链和生物素修饰的订书钉DNA链混合后经过退火，得到三维DNA纳米管；然后根据生物素和亲和素的特异性结合作用，得到内部结合亲和素的三维DNA纳米管；然后在三维DNA纳米管内结合过氧化物酶，再通过DNA标记的贵金属纳米粒子与DNA纳米管末端碱基互补配对，将DNA纳米管末端封闭，从而得到一种半封闭的纳米催化反应器。该方法不仅可以在纳米尺度精确控制酶位置，有助于对酶反应动力学的机理的研究，还可以特异性地催化反应底物产生气体，成为一种自带动力源的纳米机器。

A semi closed nanoreactor and its preparation and Application

The invention discloses a semi enclosed nano catalytic reactor and a preparation method and application thereof. Three-dimensional DNA nanotubes were obtained by annealing the scaffold DNA single strand, staple DNA strand of unmodified biotin and staple DNA strand of biotin-modified staple. Then three-dimensional DNA nanotubes were obtained by specific binding of biotin and avidin. A semi-enclosed nanocatalytic reactor was prepared by complexing peroxidase with DNA-labeled noble metal nanoparticles and the terminal base of DNA nanotubes. This method can not only accurately control the enzyme position at nanoscale, but also help to study the mechanism of enzyme reaction kinetics. It can catalyze the substrate to produce gases and become a kind of nano-machine with its own power source.

【技术实现步骤摘要】
一种半封闭的纳米催化反应器及其制备方法与应用
本专利技术属于DNA纳米
，具体涉及一种半封闭的纳米催化反应器及其构建方法与应用。
技术介绍
2006年，Rothemund专利技术了DNA折纸术(DNAorigami)，这是一项全新的DNA自组装技术；在这一技术中，Rothemund将噬菌体单链DNA(7249bases)作为纳米结构的支架(scaffoldDNA)，用数百条寡核苷酸序列(stapleDNA)在特定的地方将M13mp18单链DNA固定住，根据固定位点的不同，可以折叠出不同形状的DNA纳米结构。与传统的DNAtile自组装相比，DNA折纸术有着无与伦比的优势。(1)DNA折纸术无须纯化，DNAtile中的所有DNA序列都需要进行纯化，并且需要严格按照设计的比例进行混合反应，而DNA折纸术不需要对DNA序列进行纯化，且只要有大致的浓度比混匀即可。(2)DNA折纸术制作便捷，DNAtile需要进行多次长时间的退火进行反应，DNA折纸术只需进行一步退火反应即可，且反应时间较短。(3)DNA折纸术设计方便。由于大部分DNA折纸术结构都是基于M13mp18构建的，所以一旦折叠路径确定好后，stapleDNA也就确定了。此外，目前已有针对DNA折纸术设计的软件caDNAno，可以对DNA折纸术结构进行程序化设计。(4)DNA折纸术结构设计精密，图形分辨率远高于tile自组装，origami的图形像素精度比tile自组装高10倍以上。(5)DNA折纸术产率高，origami的产率通常可达90％。DNA折纸术技术发展至今，各种二维、三维的DNA折纸结构层出不穷，为DNA纳米技术带来了突飞猛进的进步。基于DNA折纸术的可寻址性，可以实现在DNA折纸结构上对小分子、生物大分子的精确定位，从而构建精密的DNA纳米反应器，但是这些DNA纳米反应器大部分都是基于二维DNA折纸结构构建，无法提供一个相对封闭和稳定的环境，导致其反应存在不确定性且易受环境因素影响。
技术实现思路
本专利技术解决了现有技术基于DNA折纸术的反应器无法为反应提供相对封闭和稳定的反应环境的问题，提供了一种半封闭的纳米催化反应器及其构建方法与应用。根据本专利技术的第一方面，提供了一种半封闭的纳米催化反应器的制备方法，包含以下步骤：(1)将脚手架DNA链、未修饰生物素的订书钉DNA链和生物素修饰的订书钉DNA链溶解在缓冲液中，得到溶液A；所述溶液A中脚手架DNA链的浓度与未修饰生物素的订书钉DNA链的浓度之比为1：(5-20)；生物素修饰的订书钉DNA链的浓度大于或等于未修饰生物素的订书钉DNA链的浓度；(2)将步骤(1)得到的溶液A加热至95℃-80℃，然后按照1℃/(2mim-10min)的降温速度，将溶液A的温度降至70℃-60℃；再按照1℃/(80min-160min)的降温速度，继续将溶液A的温度降至25℃-4℃；通过所述脚手架DNA链与所述未修饰生物素的订书钉DNA链和生物素修饰的订书钉DNA链碱基互补配对，得到三维DNA纳米管溶液；(3)向步骤(2)得到的三维DNA纳米管溶液中加入亲和素，在200rpm-800rpm条件下，震荡反应1h-3h，使得所述亲和素与生物素修饰的订书钉DNA链上的生物素特异性结合，得到内部结合亲和素的三维DNA纳米管溶液；(4)向步骤(3)得到的内部结合亲和素的三维DNA纳米管溶液中加入N-羟基琥珀酰亚胺生物素酯修饰的酶、D-生物素甲酯修饰的酶或D-生物素酰肼修饰的酶，在200rpm-800rpm条件下，震荡反应2h-8h，使得所述N-羟基琥珀酰亚胺生物素酯修饰的酶、D-生物素甲酯修饰的酶或D-生物素酰肼修饰的酶与亲和素特异性结合，得到内部结合酶的三维DNA纳米管溶液；(5)向步骤(4)得到的内部结合酶的三维DNA纳米管溶液中加入DNA修饰的贵金属纳米粒子，在200rpm-800rpm条件下，避光震荡反应2h-8h；所述DNA修饰的贵金属纳米粒子与所述三维DNA纳米管其中一个末端的DNA互补配对，使得所述三维DNA纳米管的该末端封闭，即得到半封闭的纳米催化反应器。优选地，步骤(1)所述脚手架DNA链为M13mp18单链DNA。优选地，步骤(1)所述生物素修饰的订书钉DNA链为3’端修饰生物素的订书钉DNA链。优选地，步骤(4)所述的酶为过氧化氢酶、葡萄糖氧化酶或辣根过氧化物酶。优选地，步骤(2)所述三维DNA纳米管为双层空心六棱柱DNA纳米管。优选地，步骤(3)所述亲和素为链霉亲和素或卵白亲和素；步骤(5)所述贵金属纳米粒子为金纳米粒子或银纳米粒子。优选地，步骤(3)所述三维DNA纳米管与所述亲和素的物质的量之比为1：(3-10)。优选地，步骤(4)所述内部结合亲和素的三维DNA纳米管与所述N-羟基琥珀酰亚胺生物素酯修饰的酶、D-生物素甲酯修饰的酶或D-生物素酰肼修饰的酶物质的量之比为1：(10-50)。按照本专利技术的另一方面，提供了所述方法制备得到的半封闭的纳米催化反应器。按照本专利技术的另一方面，提供了所述的半封闭的纳米催化反应器在纳米材料、生物医疗以及分析检测方面的应用。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：(1)本专利技术通过DNA折纸术构建的三维DNA纳米管结构，同时利用生物素与链霉亲和素的特异性结合，将生物素修饰的过氧化氢酶结合在DNA纳米管结构内部，再通过碱基互补配对，用DNA标记的贵金属纳米粒子封闭DNA纳米管的一端端口，从而构建出半封闭的纳米反应器。本专利技术不仅可以在纳米尺度精确控制酶的位置，有助于对酶反应动力学的机理的研究，还可以特异性地催化反应底物如H2O2产生气体，为纳米反应器提供动力，使其成为自带动力源的纳米反应器。(2)本专利技术中制备的空心六棱柱结构DNA纳米管的一端端口处伸出的DNA序列作为贵金属纳米粒子颗粒的捕获位点，可以与贵金属纳米粒子的巯基DNA杂交，从而利用贵金属纳米粒子将纳米管的一端端口封闭，完成纳米催化反应器的构建。(3)本专利技术采用DNA折纸术构造了空心六棱柱结构，该六棱柱为双层结构，使得结构更加稳固；在六棱柱纳米管内部，生物素修饰的订书钉单链DNA作为酶在纳米管内部的固定点，能够特异性地与链霉亲和素结合，再通过链霉亲和素结合N-羟基琥珀酰亚胺生物素酯修饰的过氧化氢酶，从而将过氧化氢酶固定在纳米管内部。另外，在纳米管一端端口处伸出的DNA序列作为贵金属纳米粒子的捕获位点，可以与贵金属纳米粒子的巯基DNA杂交，完成纳米催化反应器的构建。附图说明图1为三维DNA纳米管放大50000倍的透射电子显微成像图；其中图1(a)为DNA纳米管的截面结构透射电子显微成像图，图1(b)为DNA纳米管的侧面结构透射电子显微成像图。图2为三维DNA纳米管放大50000倍的透射电子显微成像图。图3为三维DNA纳米管以及M13mp18单链DNA的琼脂糖凝胶电泳图。图4为DNA标记的纳米金的透射电子显微成像图。图5为半封闭的纳米催化反应器的透射电子显微成像图；其中图5(a)是纳米金结合了一个六棱柱的DNA纳米管的电子显微成像图，图5(b)是纳米金结合了两个六棱柱的DNA纳米管的电子显微成像图，图5(c)是纳米金结合了三个六棱柱的DNA纳米管的电子显微成像图，图5(d本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半封闭的纳米催化反应器的制备方法，包含以下步骤：(1)将脚手架DNA链、未修饰生物素的订书钉DNA链和生物素修饰的订书钉DNA链溶解在缓冲液中，得到溶液A；所述溶液A中脚手架DNA链的浓度与未修饰生物素的订书钉DNA链的浓度之比为1：(5‑20)；生物素修饰的订书钉DNA链的浓度大于或等于未修饰生物素的订书钉DNA链的浓度；(2)将步骤(1)得到的溶液A加热至95℃‑80℃，然后按照1℃/(2mim‑10min)的降温速度，将溶液A的温度降至70℃‑60℃；再按照1℃/(80min‑160min)的降温速度，继续将溶液A的温度降至25℃‑4℃；通过所述脚手架DNA链与所述未修饰生物素的订书钉DNA链和生物素修饰的订书钉DNA链碱基互补配对，得到三维DNA纳米管溶液；(3)向步骤(2)得到的三维DNA纳米管溶液中加入亲和素，在200rpm‑800rpm条件下，震荡反应1h‑3h，使得所述亲和素与生物素修饰的订书钉DNA链上的生物素特异性结合，得到内部结合亲和素的三维DNA纳米管溶液；(4)向步骤(3)得到的内部结合亲和素的三维DNA纳米管溶液中加入N‑羟基琥珀酰亚胺生物素酯修饰的酶、D‑生物素甲酯修饰的酶或D‑生物素酰肼修饰的酶，在200rpm‑800rpm条件下，震荡反应2h‑8h，使得所述N‑羟基琥珀酰亚胺生物素酯修饰的酶、D‑生物素甲酯修饰的酶或D‑生物素酰肼修饰的酶与亲和素特异性结合，得到内部结合酶的三维DNA纳米管溶液；(5)向步骤(4)得到的内部结合酶的三维DNA纳米管溶液中加入DNA修饰的贵金属纳米粒子，在200rpm‑800rpm条件下，避光震荡反应2h‑8h；所述DNA修饰的贵金属纳米粒子与所述三维DNA纳米管其中一个末端的DNA互补配对，使得所述三维DNA纳米管的该末端封闭，即得到半封闭的纳米催化反应器。...

【技术特征摘要】
1.一种半封闭的纳米催化反应器的制备方法，包含以下步骤：(1)将脚手架DNA链、未修饰生物素的订书钉DNA链和生物素修饰的订书钉DNA链溶解在缓冲液中，得到溶液A；所述溶液A中脚手架DNA链的浓度与未修饰生物素的订书钉DNA链的浓度之比为1：(5-20)；生物素修饰的订书钉DNA链的浓度大于或等于未修饰生物素的订书钉DNA链的浓度；(2)将步骤(1)得到的溶液A加热至95℃-80℃，然后按照1℃/(2mim-10min)的降温速度，将溶液A的温度降至70℃-60℃；再按照1℃/(80min-160min)的降温速度，继续将溶液A的温度降至25℃-4℃；通过所述脚手架DNA链与所述未修饰生物素的订书钉DNA链和生物素修饰的订书钉DNA链碱基互补配对，得到三维DNA纳米管溶液；(3)向步骤(2)得到的三维DNA纳米管溶液中加入亲和素，在200rpm-800rpm条件下，震荡反应1h-3h，使得所述亲和素与生物素修饰的订书钉DNA链上的生物素特异性结合，得到内部结合亲和素的三维DNA纳米管溶液；(4)向步骤(3)得到的内部结合亲和素的三维DNA纳米管溶液中加入N-羟基琥珀酰亚胺生物素酯修饰的酶、D-生物素甲酯修饰的酶或D-生物素酰肼修饰的酶，在200rpm-800rpm条件下，震荡反应2h-8h，使得所述N-羟基琥珀酰亚胺生物素酯修饰的酶、D-生物素甲酯修饰的酶或D-生物素酰肼修饰的酶与亲和素特异性结合，得到内部结合酶的三维DNA纳米管溶液；(5)向步骤(4)得到的内部结合酶的三维DNA纳米管溶液中加入DNA修饰的贵金属纳米粒子，在200rpm-800rpm条件下，避光震荡反...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴钰周，张天驰，王晓辉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42