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Science Advances : 「納⽶樂⾼」的新型設計組裝思路

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2020年9月22日 -
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01
可尋址自組裝：納米樂高的組裝規則
Whether, ultimately---in the great future---we can arrange the atoms the way we want; What would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them?
最終，在美好的未來，我們是否可以按照我們想要的方式排列原子；如果可以，那會發生什麼？
這是在理察•費曼（Richard Feynman）1959 年的傳奇演講《微觀世界有無垠的空間》（There&apos;s Plenty of Room at the
Bottom）中的一段話，他基於此預見了如今的納米和光刻技術。 我們用這些技術製造晶片上的微型電路，並逐漸實現器件終極的小型化。 然而要真正意義上實現微觀的一一排列，如樂高積木般手動拼裝是不現實的。 我們希望這些小型構建塊能夠自行組裝起來，並在組裝結構中占據特定位置。 這便是自組裝的最終目標：「可尋址自組裝(Addressable Self-Assembly)」。 1996 年，Mirkin 和
Alivisatos 分別獨立提出了 DNA 包覆膠體 (DNA Coated Colloids, DNACCs) 設計自組裝的方法。 在這一體系中，雙鏈 DNA 一端固定在膠體表面上，另一端接有一段單鏈 DNA，當溫度低於DNA融化溫度的時候，就可以與其他粒子上的互補序列產生特異相互作用。 對不同種類粒子上的單鏈 DNA
編碼可以實現指定的相互作用，進而組裝成各種有序結構。 但是，通常每個粒子都包覆大量 DNA
配體，在降溫組裝過程中將會有很高的能量突變，從而使體系通常形成無序的聚集態。 這對超結構的形成尤其不利，因為隨著組裝結構尺寸的增大，自組裝的溫度窗口會迅速縮小，需要精確調控膠體間相互作用。 所以目前膠體設計自組裝在實驗上還有巨大的困難，DNA包覆膠體間特異相互作用對於溫度過度敏感，使其在微納米器件製造領域的應用受到極大限制。 
圖1.(a) DNA 包覆膠體示意圖；(b) 不同種類膠體粒子表面單鏈 DNA 互補編碼和目標結構；(c) 模擬形成的「大本鐘」結構
02
連結配體介導的DNA包覆膠體
最近，新加坡南洋理⼯⼤學倪冉教授課題組提出了⼀個新的系統："連結配體介導的可移動 DNA 包覆膠體（Linker-Mediated mDNACC）"，並基於該系統為膠體可尋址⾃組裝提供了⼀種新機制，進⽽解決了常規DNA包覆膠體可尋址⾃組裝中對於溫度⾼度敏感的問題。 研究成果以 「Linker-mediated self-assembly of mobile DNA coated colloids」
為題發表於著名期刊Science Advances上。 與傳統的 DNA 包覆膠體不同的是，該系統粒⼦間相互作⽤源於連結配體和膠體粒⼦。 連結配體為⼀段雙鏈 DNA，其兩端連接粒⼦表⾯單鏈 DNA 的互補序列，如同⼀座座橋將粒⼦連接起來（圖 2A,B）。 連結配體可以處於三種狀態：⾃由態 (free state)，配體兩端都未與粒⼦結合；吸附態 (absorbed
state)，配體僅⼀端與粒⼦結合；橋接態(bridged state)，配體兩端橋接在兩個粒⼦上。 在巨正則系綜下（連結配體化學勢 
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可尋址自組裝：納米樂高的組裝規則

Whether, ultimately---in the great future---we can arrange the atoms the way we want; What would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them?

最終，在美好的未來，我們是否可以按照我們想要的方式排列原子；如果可以，那會發生什麼？

這是在理察•費曼（Richard Feynman）1959 年的傳奇演講《微觀世界有無垠的空間》（There's Plenty of Room at the

Bottom）中的一段話，他基於此預見了如今的納米和光刻技術。我們用這些技術製造晶片上的微型電路，並逐漸實現器件終極的小型化。然而要真正意義上實現微觀的一一排列，如樂高積木般手動拼裝是不現實的。我們希望這些小型構建塊能夠自行組裝起來，並在組裝結構中占據特定位置。這便是自組裝的最終目標：「可尋址自組裝(Addressable Self-Assembly)」。1996 年，Mirkin 和

Alivisatos 分別獨立提出了 DNA 包覆膠體 (DNA Coated Colloids, DNACCs) 設計自組裝的方法<1,2>。在這一體系中，雙鏈 DNA 一端固定在膠體表面上，另一端接有一段單鏈 DNA，當溫度低於DNA融化溫度的時候，就可以與其他粒子上的互補序列產生特異相互作用。對不同種類粒子上的單鏈 DNA

編碼可以實現指定的相互作用，進而組裝成各種有序結構。但是，通常每個粒子都包覆大量 DNA

配體，在降溫組裝過程中將會有很高的能量突變，從而使體系通常形成無序的聚集態。這對超結構的形成尤其不利，因為隨著組裝結構尺寸的增大，自組裝的溫度窗口會迅速縮小，需要精確調控膠體間相互作用<3>。所以目前膠體設計自組裝在實驗上還有巨大的困難，DNA包覆膠體間特異相互作用對於溫度過度敏感，使其在微納米器件製造領域的應用受到極大限制。

圖1.(a) DNA 包覆膠體示意圖；(b) 不同種類膠體粒子表面單鏈 DNA 互補編碼和目標結構；(c) 模擬形成的「大本鐘」結構<3>

連結配體介導的DNA包覆膠體

最近，新加坡南洋理⼯⼤學倪冉教授課題組提出了⼀個新的系統："連結配體介導的可移動 DNA 包覆膠體（Linker-Mediated mDNACC）"，並基於該系統為膠體可尋址⾃組裝提供了⼀種新機制，進⽽解決了常規DNA包覆膠體可尋址⾃組裝中對於溫度⾼度敏感的問題。研究成果以「Linker-mediated self-assembly of mobile DNA coated colloids」

為題發表於著名期刊Science Advances上。與傳統的 DNA 包覆膠體不同的是，該系統粒⼦間相互作⽤源於連結配體和膠體粒⼦。連結配體為⼀段雙鏈 DNA，其兩端連接粒⼦表⾯單鏈 DNA 的互補序列，如同⼀座座橋將粒⼦連接起來（圖 2A,B）。連結配體可以處於三種狀態：⾃由態 (free state)，配體兩端都未與粒⼦結合；吸附態 (absorbed

state)，配體僅⼀端與粒⼦結合；橋接態(bridged state)，配體兩端橋接在兩個粒⼦上。在巨正則系綜下（連結配體化學勢