核酸纳米技术

核酸纳米技术是一种多学科交叉的研究领域，主要利用核酸分子（DNA和RNA)尺寸为纳米级别、刚性结构、编码性强的特点来构造各种纳米结构，应用于生物医学、化学、材料等领域。本书着重介绍核酸纳米技术中最为引人注目的几个主要方向，即核酸纳米结构组装、核酸传感与检测、核酸纳米操纵、核酸纳米结构应用以及DNA分子机器与计算机。本书分为两大部分，"核酸纳米技术基础"部分主要对本领域的现状和发展趋势进行科普性的介绍，适合本科生阅读；"核酸纳米技术进阶"部分则邀请国内外相关领域的知名学者共同撰写，希望为有志于从事纳米生物学研究的研究生和科研人员提供帮助与指引。

第一篇核酸纳米技术基础
第1章核酸纳米技术的基本概念3
1.1纳米技术引论3
1.1.1纳米科技发展简史5
1.1.2纳米领域的“眼睛”和“手”6
1.1.3纳米领域的“砖瓦”7
参考文献13
1.2DNA分子的化学与生物学15
1.2.1DNA的微观结构16
1.2.2DNA的分子操作19
参考文献23
1.3结构DNA纳米技术简史27
1.3.1纳米尺度下分子自组装的研究意义27
1.3.2DNA作为纳米建筑材料的背景28
1.3.3基于DNA纳米砖片的自组装29
1.3.4DNA折纸术36
1.3.5基于DNA折纸结构的层级自组装形成的超大结构41
1.3.6总结与展望43
参考文献43
第2章核酸纳米技术的工具与策略47
2.1DNA分子的成像和纳米操纵47
2.1.1单个DNA分子及其复合物的成像47
2.1.2单分子纳米操纵53
参考文献59
2.2自组装DNA纳米结构的构建策略60
2.2.1基于DNA自组装的纳米结构60
2.2.2DNA纳米排布65
2.2.3DNA纳米机器人67
2.2.4DNA构造纳米图形展望68
参考文献70
2.3RNA纳米技术76
2.3.1RNA的构筑基元与自组装：RNA建筑学77
2.3.2单链RNA的折叠：RNA折纸术79
2.3.3RNA-DNA协同共组装：优势互补82
2.3.4RNA纳米技术的应用：从结构到功能83
参考文献84
2.4框架核酸的概念和发展86
2.4.1简介86
2.4.2框架核酸的概念86
2.4.3框架核酸的设计：DNA折纸术及其软件89
2.4.4框架核酸对纳米级研究对象的空间调控91
2.4.5框架核酸的生物应用93
2.4.6总结和前景97
参考文献98
第3章核酸纳米技术的应用106
3.1可以感知的DNA纳米技术—DNA生物传感器与基因芯片106
3.1.1DNA生物传感器106
3.1.2DNA芯片110
3.1.3微流控芯片111
参考文献115
3.2可以计算的DNA纳米技术——DNA逻辑门与DNA计算116
3.2.1分子逻辑门116
3.2.2DNA逻辑门117
3.2.3DNA计算121
3.2.4总结与展望125
参考文献125
3.3可以运动的DNA纳米技术—DNA分子机器127
3.3.1链置换反应驱动的DNA马达127
3.3.2环境因素驱动的DNA马达133
3.3.3两类驱动方式的评价138
参考文献139
第二篇核酸纳米技术进阶
第4章核酸纳米结构自组装143
4.1结构DNA纳米技术研究进展143
4.1.1二维DNA结构144
4.1.2三维DNA结构146
4.1.3DNA自组装引导的纳米粒子二维结构151
4.1.4DNA自组装引导的纳米粒子三维结构154
4.1.5DNA自组装与微加工技术156
4.1.6挑战与展望157
参考文献157
4.2DNA纳米自组装化学161
4.2.1DNA模块自组装163
4.2.2无机纳米结构的DNA导向组装173
4.2.3展望191
参考文献192
4.3使用最少DNA链构建DNA纳米结构的策略202
4.3.1序列对称性203
4.3.2通过一条DNA链构建DNA纳米结构204
4.3.3结构对称性207
4.3.4对称性DNA纳米结构在生物医学中的应用208
4.3.5总结与展望209
参考文献210
4.4DNA-表面活性剂杂化纳米结构材料：自组装性质及应用213
4.4.1DNA-表面活性剂和DNA-脂质复合物溶致液晶214
4.4.2DNA-表面活性剂复合物热致液晶217
4.4.3DNA-表面活性剂复合物膜材料218
4.4.4DNA-表面活性剂复合物的应用219
4.4.5展望221
参考文献222
4.5DNA编码的化学材料合成技术226
4.5.1DNA序列编码的高分子合成226
4.5.2以DNA纳米结构为模板的高分子纳米材料合成及其功能230
4.5.3以DNA纳米结构为模板的无机纳米颗粒合成238
4.5.4总结与展望245
参考文献245
4.6DNA引导的纳米粒子超晶格的组装251
4.6.1基于DNA-球形金纳米粒子的超晶格251
4.6.2非典型无机纳米粒子的三维有序组装255
4.6.3异质二元DNA-NP体系共结晶256
4.6.4动态超晶格258
4.6.5基于DNA-NP的多面体微晶260
4.6.6“最复杂”的超晶格261
4.6.7DNA折纸结构引导纳米粒子组装261
4.6.8展望263
参考文献264
第5章核酸传感与检测267
5.1核酸生物传感器研究进展267
5.1.1前言267
5.1.2传感方法269
5.1.3总结与展望290
参考文献291
5.2基于水溶性共轭聚合物的核酸分子检测304
5.2.1水溶性共轭聚合物结构和性质305
5.2.2水溶性共轭聚合物的光学特性和传感机制306
5.2.3基于共轭聚合物的核酸生物传感器308
5.2.4总结与展望320
参考文献320
5.3核酸分子线路——催化发夹结构自组装及其分析应用325
5.3.1CHA的原理和改良326
5.3.2高温CHA和全温区CHA330
5.3.3CHA的万能传导332
5.3.4CHA与超灵敏分析333
5.3.5总结与展望336
参考文献336
5.4基于细胞筛选的核酸适配体技术在癌症诊断和治疗中的应用339
5.4.1以活细胞为靶标的核酸适配体筛选技术340
5.4.2核酸适配体用于癌细胞的检测342
5.4.3基于核酸适配体的癌症标志物发现346
5.4.4核酸适配体用于癌症的靶向诊疗348
5.4.5总结与展望354
参考文献355
5.5核酸适配体和核酶生物传感器360
5.5.1核酸适配体和核酶360
5.5.2核酸适配体生物传感器363
5.5.3核酶生物传感器371
5.5.4总结与展望377
参考文献378
第6章核酸纳米操纵382
6.1DNA分子手术382
6.1.1DNA“分子手术”的基本工具及前期技术背景382
6.1.2DNA“分子手术台”和“手术刀”383
6.1.3DNA“分子手术”的若干基本操作384
6.1.4DNA“分子手术”的后处理技术386
6.1.5DNA“分子手术”当前面临的主要问题387
6.1.6展望388
参考文献388
6.2DNA的单分子力学389
6.2.1单分子力学实验技术390
6.2.2双链DNA的单分子力学392
6.2.3单链DNA的单分子力学399
6.2.4双链DNA与单链DNA之间的转变及其力谱特征403
6.2.5小结407
参考文献407
第7章核酸纳米结构应用411
7.1DNA纳米技术与生物成像411
7.1.1生物大分子功能机制的研究411
7.1.2细胞水平的组织功能的研究416
7.1.3动物水平的生物成像应用418
7.1.4DNA纳米技术和荧光超分辨成像420
7.1.5总结与展望423
参考文献424
7.2DNA水凝胶：从合成到应用427
7.2.1前言427
7.2.2DNA水凝胶的合成策略428
7.2.3DNA水凝胶的刺激响应431
7.2.4复合杂化DNA水凝胶440
7.2.5DNA水凝胶的应用443
7.2.6存在的问题和展望454
参考文献455
7.3DNA纳米技术与药物递送459
7.3.1DNA纳米技术460
7.3.2DNA纳米结构进入细胞的方式465
7.3.3DNA纳米结构在细胞中的去路467
7.3.4DNA纳米结构作为药物递送载体的具体应用469
7.3.5DNA纳米结构可能引起机体的免疫反应484
7.3.6结语485
参考文献486
7.4DNA纳米技术递送小分子化疗药物496
7.4.1前言496
7.4.2药物共价修饰型DNA纳米递送体系497
7.4.3药物嵌入型DNA纳米递送体系500
7.4.4药物封装型DNA纳米递送体系505
7.4.5总结与展望509
参考文献509
7.5DNA自组装与纳米光子学515
7.5.1引言515
7.5.2DNA自组装表面等离子体纳米结构的制备516
7.5.3DNA自组装纳米光子学结构的杂化理论520
7.5.4DNA结构指导表面等离子体纳米结构手性调控523
7.5.5DNA结构指导表面增强拉曼散射研究528
7.5.6DNA结构指导增强荧光研究530
7.5.7总结与展望532
参考文献533
第8章核酸分子机器与计算机540
8.1从DNA自组装到DNA分子机器540
8.1.1DNA纳米结构540
8.1.2DNA等温复制机器546
8.1.3金属离子依赖型核酸酶实现DNA逻辑计算550
8.1.4总结与展望551
参考文献552
8.2DNA分子机器——从运动到功能554
8.2.1基于链置换反应的DNA分子机器554
8.2.2基于环境因素改变的DNA分子机器560
8.2.3DNA分子机器的功能化表现564
8.2.4总结与展望568
参考文献568
8.3会玩游戏的DNA计算机573
8.3.1从脱氧核酶逻辑门到可编程的自动装置574
8.3.2可以玩游戏的DNA——MAYA自动装置575
8.3.3DNA计算机领域相关的研究进展581
8.3.4DNA计算机领域未来展望583
参考文献584
8.4基于分子电路的DNA计算585
8.4.1引言585
8.4.2基于链置换级联效应的DNA电路586
8.4.3基于链置换催化反应的DNA电路588
8.4.4基于核酶的DNA电路590
8.4.5基于纳米自组装的DNA电路593
8.4.6展望596
参考文献597
8.5哺乳动物细胞内核酸分子计算机600
8.5.1哺乳动物细胞内核酸分子计算机的开发与研究601
8.5.2哺乳动物细胞内核酸分子计算机使能技术的发展604
8.5.3哺乳动物细胞内核酸分子计算机的生物技术应用607
8.5.4挑战与展望609
参考文献609