DNA手性纳米管晶格模板引导的组装：从螺旋到环状结构

当DNA遇上碳纳米管的手性，螺旋也能变成环

在生物纳米技术领域，DNA一向被视为一种极具潜力的构造材料。凭借Watson-Crick碱基配对规则，科学家已经成功构建出各式各样的DNA折纸结构、纳米通道和分子机器人。然而，这些结构大多依赖于DNA双链之间的互补配对与堆叠作用。如果能发掘出新的、可编程的组装机制，无疑将为DNA纳米技术打开一扇全新的大门。

近期，一项发表在《自然》系列期刊上的研究揭示了单链DNA（ssDNA）在碳纳米管（CNT）表面的一种前所未见的组装行为。研究人员发现，仅仅改变碳纳米管的手性方向，同一条DNA序列竟然会自发组织成截然不同的拓扑结构——左手性纳米管上出现整齐堆叠的环状结构，而右手性纳米管上则形成传统的螺旋包裹结构。这一发现首次从原子尺度上证实：手性纳米管晶格本身即可作为模板，引导DNA的全局形貌，为“非碱基配对”的DNA组装提供了全新范式。

单链DNA与碳纳米管的“握手”

碳纳米管具有独特的电子、力学和光学性能，而单链DNA由于碱基的芳香环结构，能通过π-π堆积作用牢固地吸附在纳米管表面。以往研究已知，不同序列的ssDNA能以特定螺旋方式缠绕不同手性的CNT，并可用于分离特定手性的纳米管。然而，长期以来缺乏直接的结构证据来阐明DNA在纳米管上的确切排布形式，特别是纳米管晶格的手性如何影响DNA的组装路径，仍然是一个黑箱。

冷冻电镜揭开结构之谜

为解决这一难题，研究团队选择了特定序列ss65（TTA TAT TAT ATT）和两种对映体的(6,5)碳纳米管——左手性的(+)(6,5)与右手性的(−)(6,5)。借助高分辨冷冻电子显微镜（cryo-EM）和图像重建技术，他们获得了近原子尺度的三维结构信息。

在右手性的(−)(6,5) CNT上，ss65的表现符合预期：它形成经典的1-起点螺旋（1-start helix），螺旋螺距约为16.4埃，DNA链沿着纳米管表面连续盘旋。这是先前模型中普遍假设的缠绕方式。

令人惊讶的转折发生在左手性的(+)(6,5) CNT上。在那里，ss65并没有形成连续螺旋，而是组装成一个个堆叠的环状包裹（stacked ring-like wraps），轴向重复距离仅有15.3埃，并且在微米尺度上保持高度有序的相干性。这意味着，同一条柔性单链DNA，仅仅因为下方纳米管晶格的手性不同，就“被迫”选择了完全不同的全局折叠路径：要么螺旋而上，要么层层成环。

手性晶格模板：超越碱基配对的新机制

为什么会出现如此迥异的组装行为？研究认为，底层碳纳米管的晶格手性起到了决定性作用。碳纳米管的表面碳原子排列成特定的螺旋晶格，这种晶格本身具有手性环境。当ssDNA吸附时，其碱基倾向于与纳米管表面的碳六元环形成优化堆叠。左手性与右手性晶格为DNA链提供了不同的周期性势垒和结合位点分布，从而“模板化”了不同的DNA高阶结构。

如果说传统的DNA组装依赖“序列识别”（A与T、C与G），那么这里展现的则是一种“晶格识别”机制——DNA的拓扑结构由纳米管表面的手性图案直接雕刻出来。这种机制不依赖于DNA链之间的互补配对，而是依靠DNA与无机表面之间的界面相互作用。

从螺旋到环：为什么重要？

这项研究不仅解答了DNA-纳米管复合物中长期存在的结构疑问，更重要的是开辟了DNA组装的全新设计维度：

1. 拓扑可编程性：通过选择不同手性的纳米管，可以引导同一DNA序列形成环状或螺旋状结构，实现拓扑开关。

2. 长程有序性：环状结构展现出微米级相干长度，远超传统DNA折纸的典型尺寸，有望用于构建一维周期性纳米材料。

3. 复合功能材料：结合DNA的可编程识别能力和纳米管的电学/力学性能，可以设计手性传感器、纳米电子器件或手性催化平台。

展望

未来，研究人员可以进一步探索不同序列、不同长度以及不同手性纳米管组合下的组装图谱，甚至设计出更复杂的DNA-纳米管超结构，如双螺旋阵列、可调手性超晶格等。此外，将这种“晶格模板”策略扩展到其他二维或一维材料（如过渡金属硫化物、硼氮纳米管），可能催生出更多前所未有的生物-无机杂化结构。

正如这项研究所揭示的：当DNA从双螺旋的“舒适区”走出来，与手性纳米晶格相遇，一个从螺旋到环的奇迹便悄然发生。这不仅是纳米技术的一次突破，更是生命分子与无机材料之间一场精妙绝伦的“对话”。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c04280