生命科学的发展使人类对组成生命的生物分子有了更为深入的认识,已知的四大类生物分子主要包括:核酸、蛋白、碳水化合物和磷脂,他们的大多数具有纳米级的高级结构,并展现出与宏观物体截然不同的物理化学性质。近几十年来,纳米技术的进步使人类具有在分子层面直接操纵生物分子的能力,通过合理的设计,这些生物分子可以被组装和构建成特定的功能结构、分子操控工具和纳米器件。在该领域中,DNA纳米技术成为近年来国内外研究的焦点和热点。通常来说DNA是自然界生命体的遗传信息载体,对遗传信息的储存与传递扮演着至关重要的作用。此外,利用DNA材料编码性强、可寻址性的特点可以设计并构造出各种拓扑纳米结构。目前,它已经在化学、材料、生物和医学等多个学科交叉研究领域中有着广泛应用。以细胞膜为典型代表的生物膜是生命科学研究不可或缺的界面和介质,它不仅是细胞的边界而且直接参与了整个生命过程,对细胞乃至生命个体产生了重大的影响。在本论文中,我们选择了本研究团队开发的一种巨型仿生囊泡和细胞作为研究对象,考察了DNA纳米结构在生物膜的相互作用,并且实现了生物膜体系内的分子动态操控。研究工作对于构建生物膜表面化学生物传感器,实现一系列简单、快速的生物传感新策略和临床疾病诊断具有重要的意义,对克服生物膜屏障,提高药物递送效率,为生物医学提供有力的技术支持,可望在界面智能分子机器、人工细胞构建和分子临床诊断等领域得到广泛应用。基于此,本论文1)致力于利用DNA分子自组装成纳米结构应用于仿生和材料研究,2)着眼于设计基于DNA分子的动态逻辑操控用于癌细胞表面识别和人造细胞的初期研究,其具体内容如下:1)第2章:胆固醇修饰的DNA链已经被大量用做生物膜的分子锚定工具。在本章中,我们首次发现并报道了在酸性条件下胆固醇修饰的DNA链可以自组装成球形胶束和一维纳米棒。研究表明:纳米棒是由多个胶束层级化排列组装而成,并且可以通过改变组装环境和DNA的序列来调节纳米棒的形态。胆固醇修饰的DNA纳米结构在酸性条件下的自组装行为可为将来设计基于两亲性DNA嵌段共聚物的自组装体提供新的设计策略。2)第3章:基于本实验室开发的一种巨型仿生囊泡,我们以DNA纳米棱柱为三维结构模型,实现了DNA纳米棱柱在该仿生膜表面的可逆调控。实验通过DNA链杂交和链置换反应实现了仿生囊泡表面DNA纳米棱柱的组装与解组装。解决了由于细胞对纳米材料的内吞作用以及细胞膜的高度动态的特性,使得在活细胞膜表面进行的DNA纳米结构的组装调控变得十分困难的问题。由于该囊泡来源于细胞膜并具有微米级的腔室,为DNA纳米结构与生物界面的相互作用提供了有力的研究平台。3)第4章:本章报道了一个小型三维DNA逻辑机器在细胞表面的双特异性识别和逻辑计算。它以最简易的DNA三维纳米棱柱作为结构骨架,再将两种分子识别触角和一个运算触角安装到该骨架上。只有在特定的细胞表面,该机器才会启动。通过集成化的“与”门逻辑计算产生特异的响应信号,实现了对细胞表面的特异性识别,大大提升了识别的准确性,展现出对癌细胞的精准诊疗潜力。4)第5章:本章基于巨型仿生囊泡设计并构建了一个人工分子信号系统,该系统模拟了细胞中普遍存在的信号通路,即从膜表面上的外部信号接收、到内部的一系列信号转导、最后到反馈响应。其具体过程为:在ATP的刺激下,巨型仿生囊泡膜上的DNA纳米门卫从闭合状态切换到打开状态。从而激活在仿生巨膜囊泡内预先封装的分子信号网络,该网络由多个不同的分子信号模块组成,最终信号反馈模块将DNA纳米门卫切换回闭合状态。该工作将静态DNA纳米结构和动态级联网络合理地整合到一个囊泡中,验证了基于DNA的人工分子信号系统可以处理外部环境信息并模拟了细胞中复杂的信号通路。