新型三维DNA纳米骨架的组装及其在生物和材料学中的应用

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21673050
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    68.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0707.化学生物学理论、方法与技术
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

The aim of nanotechnology is to put specific atomic and molecular species where we want them, when we want them there. Achieving such precise control will have a major impact on a variety of applications, including circuit design, programmable chemical synthesis, biological structure determination and novel materials discovery.. The applicant will utilize DNA nanotechnology to engineer a universal three-dimensional (3D) DNA scaffold (crystal) that can serve as a template to precisely organize biological molecules. The 3D DNA crystal self-assembles with well-structured branched DNA motifs tailed by short single-stranded cohesive segments (sticky ends) to direct intermolecular associations. DNA sticky ends are well-defined and programmable, so that both molecular affinity (Watson-Crick base pairing) and the local product structure (B-form DNA) can be predicted.. A century-old design technique using interlocking mortise and tenon joints has been continuously used by cabinetmakers to join rails to legs for the manufacture of sturdy tables and chairs. Inspired by this simple design, the applicant built a mechanically interlocking DNA motif, analogous to a table corner, consisting of three triple crossover DNA molecules directed along the orthogonal X Y Z vectors. This unit cell can self-assemble a 3D crystal in a cubic lattice with a minimum cavity of 5000 cubic nanometers, large enough to accommodate most molecules. Moreover, the cavity is tunable to accommodate larger molecules. . Initial demonstration of the DNA crystal’s utility will involve lnc RNA crystallization. RNA can be organized by this 3D DNA scaffold via DNA/RNA hybridization. Besides biological structure determination, the applicant will also assemble nanoparticles on the DNA scaffold to create novel nanomaterials. Such a 3D DNA crystal would be a major milestone in DNA nanotechnology and could potentially benefit many different areas, ranging from biological science to materials science.
纳米技术的目标旨在能随时随地的在分子水平上操控物质,做到这一点可以极大地促进自然科学的发展。在本项目里,申请人将致力于利用DNA纳米技术实现在分子水平上精确地操控物质。受木匠使用的榫和榫头的技术的启发,申请人利用DNA自组装了一个三维正交且在每个维度都互相锁住的三维结点。该结点具备通过末端互补的sticky ends自组装成三维立方晶体(骨架)的潜力。该晶体单个晶格的最小容量在5000立方纳米左右,足够容纳大部分生物分子,而且它的容量可以调整以适应容纳更大尺寸的生物分子。RNA分子可以通过RNA/DNA的互补杂化与三维DNA晶体骨架关联起来。申请人将首先利用此三维DNA骨架辅助解析某些难以自我结晶的长链非编码RNA的结构;此外还将利用DNA结点和骨架组装纳米金属粒子制备新型复合纳米材料。这样的一个三维DNA骨架不仅会成为纳米技术的一个重要突破,而且也会使得生物、材料等学科受益。

结项摘要

脱氧核糖核酸(DNA)不仅是生物界的遗传物质,还是纳米级世界中强大的建筑材料。DNA已成为工程自组装材料中使用最广泛的分子构件之一。利用DNA分子作为通用聚合物,编程性组装定义明确的纳米结构,用于合成新材料和构建功能性纳米器件,这一技术我们称之为DNA纳米技术。近三十年来,随着这一领域的迅速发展,科学家们已能够合成成百上千种不同规模和尺寸的各种框架型纳米结构(Framework Nucleic Acids)。由于其可寻址性、可编程性以及空间构架等特点,DNA纳米结构一直被人们寄望用于在纳米尺寸上的物质精确排布,而实现三维空间内有效的纳米排布需要使用具有足够刚性和尺寸的三维骨架。针对这一研究领域的空缺,我们借鉴宏观世界中木工常用的“榫”和“榫头的”相互嵌套,通过计算机模拟和实验相结合的方式成功构建了三维正交DNA结点。结点的每条臂上有三个DNA螺旋绑在一起,三条臂互相锁定形成较为稳定的结构,并且其还可以实现在三维空间三个维度六个正交方向的延伸,方便进一步构建层次更复杂的框架结构,例如长方形、长方体、正方体、拥有一个封闭面的正方体以及连体正方体三维线框结构等。经过一系列参数的优化和改进,并采取多种表征手段对这些框架结构进行验证,我们证明了以该新型三维结点为单元在空间内构建多层次立体网格结构具备可行性。该工作为构建坚固耐用的三维框架核酸提供了一种新策略,有望为下游的应用(如依托框架核酸进一步组装其他物质)提供保障。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
DNA Nanotechnology-Enabled Drug Delivery Systems
DNA 纳米技术支持的药物输送系统
  • DOI:
    10.1021/acs.chemrev.7b00663
  • 发表时间:
    2019-05-22
  • 期刊:
    CHEMICAL REVIEWS
  • 影响因子:
    62.1
  • 作者:
    Hu, Qinqin;Li, Hua;Fan, Chunhai
  • 通讯作者:
    Fan, Chunhai
A SAM-I riboswitch with the ability to sense and respond to uncharged initiator tRNA
能够感知和响应不带电起始子 tRNA 的 SAM-I 核糖开关
  • DOI:
    10.1038/s41467-020-16417-z
  • 发表时间:
    2020-06
  • 期刊:
    Nature Communications
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Tang Donejie;Du Xinyu;Shi Qiang;Zhang Jianling;He Yuanping;Chen Yanmiao;Ming Zhenhua;Wang Dan;Zhong Wanying;Liang Yuwen;Huang Jianming;Zhong Yunshi;An Shiqi;Gu Hongzhou;Tang Jiliang
  • 通讯作者:
    Tang Jiliang
DNA酶:筛选、生物传感及展望
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    高等学校化学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    佟宗轩;胡沁沁;顾宏周
  • 通讯作者:
    顾宏周
DNA Nanostructure-Based Systems for Intelligent Delivery of Therapeutic Oligonucleotides
基于 DNA 纳米结构的治疗性寡核苷酸智能递送系统
  • DOI:
    10.1002/adhm.201701153
  • 发表时间:
    2018-10-24
  • 期刊:
    ADVANCED HEALTHCARE MATERIALS
  • 影响因子:
    10
  • 作者:
    Hu, Qinqin;Wang, Sheng;Fan, Chunhai
  • 通讯作者:
    Fan, Chunhai

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其他文献

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开发基于核酸适配体的新型探针用于早期肿瘤的标志物识别和诊治
  • 批准号:
    91859104
  • 批准年份:
    2018
  • 资助金额:
    60.0 万元
  • 项目类别:
    重大研究计划

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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