DNA不仅是生命体系中储存与传递遗传信息的生物大分子,同时也是一种高度可程序化控制的生物材料。DNA材料不仅性质稳定、设计简单、易于合成与修饰,并且具有优异的可编程性和可预测性。以此为基础,研究人员发展了基于DNA自组装的纳米技术。该技术不仅能够实现分子水平上DNA纳米结构的高精度可控自组装,还能够实现客体分子的可寻址修饰以及动态调控,在分子器件的设计与构建方面具有巨大的潜力。近年来,利用DNA纳米结构实现生物分子功能的精准调控已成为一个重要的研究热点。其中,半合成DNA-蛋白复合物受到了广泛的关注。半合成DNA-蛋白复合物是一种由DNA与蛋白质组成的,通过半人工合成的方式构建的生物大分子,它不仅具有DNA的可编程性、可预测性和可操纵性,同时还具有蛋白质的多功能性。依赖DNA的高度可控性,该复合物已被用于解析蛋白质的结构、研究蛋白质之间的相互作用、构建蛋白质动态网络。此外,利用蛋白质的生化功能,该复合物在生物传感、疾病治疗、分子催化等领域表现出巨大的潜力。尽管半合成DNA-蛋白质复合物具有极大的应用前景,但其目前的研究主要集中在试管中的模型构建,而在生物体系中的应用研究则比较罕见。为了拓展半合成DNA-蛋白复合物在生物体系中的应用,本研究论文运用DNA纳米技术的调控手段,结合半合成DNA-蛋白复合物在功能上的丰富性,设计并构建了一系列新型半合成DNA-蛋白复合物,并将其用于生物传感、细胞功能化以及癌症治疗等领域。具体内容如下:（1）临床即时筛查在疾病的早期诊断、病程监控和疗效监测等方面具有重要的意义。但是,传统的光学探针用于实际样品检测时通常需要大型的检测设备,且易受样品中其他成分的干扰,面临背景高、光散射等问题。为解决上述问题,在第2章中,我们构建了基于生物发光共振能量转移的比率型Nano Luc-DNA复合物探针。该探针以生物发光作为信号报告方式,不仅无需大型检测仪器,还可以有效避免激发光源引起的高背景、光散射等问题。此外,该比率型探针的自校正性质使其适用于复杂环境中目标物的高准确性定量检测。通过对DNA序列的设计,我们分别构建了用于ATP和Zn2+检测的探针。这些探针对目标物均有较好的选择性和灵敏度。最后,这些探针被应用于血液样品中ATP和Zn2+的定量检测,取得较好的检测结果。（2）为了探索细胞更多的功能,生物工程学家通过基因工程等技术将一些功能蛋白引入细胞膜构建工程化细胞,例如CAR-T细胞。但是传统的基因工程技术实现细胞工程化的方法存在耗时长、无法实现目标蛋白可控组装等问题。因此,在第3章中,我们提出一种新的细胞膜上外源性蛋白组装策略。基于DNA纳米技术的可预测性以及可动态调控的能力,我们通过半合成DNA-蛋白复合物与DNA支架的互补杂交反应以及链置换反应,实现了细胞膜表面快速、高效、可控的外源性蛋白组装。（3）在第4章中,基于前述细胞膜蛋白组装策略,我们构建了一系列具有不同功能的功能化细胞。基于DNA支架组装外源性蛋白的快速和可控的优势,我们首先将葡萄糖苷酶组装到哺乳动物细胞膜表面,实现了其在哺乳动物细胞水解纤维二糖方面的功能化。随后,利用DNA链置换反应实现了细胞水解纤维二糖和水解乳糖的功能转换。此外,β-半乳糖苷酶、葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶的三酶级联体系功能化的细胞也被成功构建。（4）传统的酶激活前药,特别是辣根过氧化物酶（HRP）前药治疗,它的治疗效果受到癌细胞内源性H2O2不足的影响。为了解决上述问题,在第5章中我们利用DNA纳米结构组装葡萄糖氧化酶-辣根过氧化物酶（GOx-HRP）级联酶体系以实现肿瘤的联合治疗。基于DNA结构组装半合成DNA-蛋白复合物的限域效应,级联酶体系催化前药转化的速率显著提升。同时,结合GOx消耗内源性葡萄糖而实现肿瘤的饥饿治疗,我们构建的基于DNA纳米结构的GOx-HRP级联酶体系无论在细胞水平还是活体水平均有良好的癌症治疗效果。得益于它优异的性质,该体系有望被更广泛地应用于合成生物学和生物医药等相关领域。