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自然界中,DNA是储存遗传信息的物质,Waston-Crick发现的DNA右手双螺旋结构是由于碱基对（A-T,G-C）相互作用形成氢键而构成的。西曼教授（Nadrian C.Seeman）在二十世纪八十年代首先提出了使用DNA自组装DNA纳米结构,他们构造了具有确定几何形状的基元结构-分子瓦及其由分子瓦自组装的纳米结构。2006年,罗斯曼（Rothemund）开发了一种称为DNA折纸术（DNA Origami）的构造DNA纳米结构的方法,他使用病毒长单链DNA M13mp18作为支架链、并使用短的寡核苷酸链作订书链将M13mp18折叠成预先设计的多种形状和图案。DNA纳米技术的潜在应用前景驱动着使用简单工艺制造产量高且具有复杂几何图案的DNA纳米结构,目前已经开发出了一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）各种不同尺寸的DNA纳米结构和DNA纳米机器,以及通过修饰DNA携带其它功能材料（例如蛋白质或金属纳米粒子）构建的有序DNA纳米结构。DNA纳米技术的潜在应用范围很广,如图案化纳米电子线路、固定蛋白质、探究生物大分子的相互作用、模仿逻辑器件进行运算等。大多数情况下,人们使用线性DNA链通过自组装构建1D、2D和3D纳米结构,我们的课题组则使用环状单链DNA作为支架链来构建DNA纳米结构。最近,我们将环状哑铃形单链DNA作为支架链用于构建不同类型的分子瓦,并自组装得到了多种类型的纳米结构,包括纳米丝带、2D平面网格和纳米管等。详细研究内容见如下两节:1.哑铃DNA分子构建宽度不均一的分子瓦和2D纳米阵列:使用常规方法合成哑铃DNA分子,一对发夹寡核苷酸通过粘性末端的配对彼此结合形成哑铃结构,然后使用T4连接酶将位于中央的双链（double-stranded）茎干（stem）上的两个缺口（nick）连接起来,设计并合成了两种不同大小的（A:86-nt和B:96-nt）哑铃寡核苷酸分子。前者具有11 bp长的中央双链茎干和两个32-nt长的单链（single-stranded）头环。后者具有16 bp长的中央双链茎干和两个32-nt长的单链头环。在合成和纯化哑铃DNA分子后,将它们用作“支架链”,借助辅助线性链（或所谓的“订书钉链”）来合成哑铃DNA分子瓦和2D阵列。一锅法和两步法都能被使用来组装由单个哑铃DNA分子瓦构建的二维阵列。两种哑铃DNA分子A和B共设计了四种哑铃DNA分子瓦(AO,AE,BO&BE),每种都成功地组装了二维阵列:纳米丝带阵列-AO、阵列-AE、阵列-BO、和纳米管阵列-BE,最宽的纳米丝带宽度可达200 nm。由于使用了任意序列的中央茎干,茎干的刚性较差,故它们构成的DNA纳米丝带和纳米管的稳定性较差,具有织构的网状结构只能在缓冲溶液中稳定存在一周左右的时间。2.富含poly（A-T）茎干序列的哑铃DNA分子瓦构建2D阵列:为了提高哑铃分子茎干的刚性,双链茎干使用了富含poly（A-T）的序列,这是因为富含poly（A-T）序列的双链已被证实在酸性环境下比随机序列的DNA双链更具刚性。使用富含poly（A-T）的序列作为茎干,合成了四个新的哑铃DNA分子-D6、D11、D16和D21,它们分别具有6、11、16和21 bp的茎干。哑铃分子的两个头环设计为具有不同序列的32-nt的随机序列单链。为了比较茎干长度不同的二维阵列的性状,我们将两个头环序列复制到所有四个哑铃DNA分子的头环中。D11、D16和D21的哑铃DNA分子使用前述的常规方法进行合成,即一套哑铃结构中的两个发夹分子由粘性末端配对连接在一起形成茎干,然后由T4连接酶将茎干上互补粘性末端形成的两个缺口共价连接。D6哑铃DNA分子中,因为6 bp的茎干太短,无法容纳两个缺口,D6哑铃DNA分子被设计为一个完整的哑铃分子,在茎干上只有一个缺口,该缺口被T4连接酶连接而合成哑铃分子。哑铃DNA分子经过合成和纯化后,可作为支架链构建哑铃DNA分子瓦。使用D6、D11、D16和D21四个哑铃分子构建了八个哑铃DNA分子瓦-D6O、D6E、D11O、D11E、D16O、D16E、D21O和D21E,其中下标O和E分别代表在二维DNA阵列中奇数和偶数个半螺圈的距离。为了形成二维晶格,我们采用了4个（偶数）和5个（奇数）半螺圈的标准间隔距离来进行分子瓦间的连接,并采用了单分子瓦系统和一锅法的退火方法。总共组装了八个二维阵列,即阵列-D6O、阵列-D6E、阵列-D11O、阵列-D11E、阵列-D16O、阵列-D16E、阵列-D21O和阵列-D21E。除了观察到阵列-D21O和阵列-D21E自组装得到的是纳米条带和纳米管的混合物之外,所有其它阵列包括阵列-D11E自组装得到了平面纳米带。富含poly（A-T）序列的双链在酸性环境下的刚性扩展了更多茎干长度的选择性,稳定的哑铃DNA分子瓦形成了类似单晶的二维阵列,使得AFM能够以大约3 nm的横向分辨率对单个分子瓦进行高分辨成像,因此可以测量每个阵列的二维布拉格（2D Bravais）晶格参数,所有测得的晶格参数均与理论设计相符。