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纳米颗粒晶体在电学、光学、磁学等方面具有独特的性质与优越的性能，人工构建纳米颗粒晶体对于材料科学的功能突破和性能发展具有重要意义。DNA由于其具有碱基互补配对的特性，可以用于构建各种纳米级结构、组装晶体并调控结构与组成，从而实现材料特定性能的定制。目前，DNA纳米技术构建的纳米颗粒晶体材料已经在催化剂、光学器件、半导体材料等方面实现了应用，表明其构建三维晶体作为普适的周期性分子支架的基本目标逐步实现。在这篇综述里，我们系统性地阐述了DNA瓦片、可编程原子等价物、DNA折纸三种重要DNA纳米晶体构建技术的发展历程与最近的研究进展，并对利用DNA纳米技术构建晶体材料的未来发展方向进行了讨论。
【关键词】DNA纳米技术、可编程原子等价物、DNA折纸、自组装
自人类对自然世界开始探索以来，晶体就在人类生产生活的方方面面发挥着重要作用。即使在对晶体的认识尚浅的时代，人们就已经开始粗略利用晶体在颜色、硬度等各方面的原始性质。直到1784年Hauy对晶体周期性的提出，人们才意识到晶体应该在更多物理性质方面有其独特的魅力，于是开始对晶体展开研究，提出了晶体的结构模型，成功验证了晶体周期性并对其结构进行了分析。随着技术发展，人工晶体逐渐在人类生产生活中发挥重要的作用，如何构建新的晶体材料以实现功能突破也成为关键问题，其中，纳米颗粒的结晶受到学术界的特别关注。纳米颗粒因其尺度而在电学、磁学、光学等方面表现出特殊性质，当纳米颗粒有序组装成晶体时，不仅能将其微观性质集成而在宏观上表现出来，还可能涌现出超过其微观性质的理想特性，制备具有各种优越性能的新型材料。所设计的纳米颗粒晶体还可以帮助我们理解结晶的过程、指导控制材料的性能。然而，尽管人们成功地制造出了许多物质的晶体，但对于纳米尺度的粒子特别是一些生物大分子来说，将其组装为所需晶体结构仍没有一个通用且有效的方法。
01
1 基于DNA瓦片构建纳米颗粒晶体的方法
“瓦片”结构是最早提出的一种DNA组装结构，通过单链DNA形成的“瓦片”作为基本单元，利用单链DNA的未配对碱基作为“粘性末端”相互进行连接，进而组装出复杂多样的结构。Seeman在1983年制备了第一种瓦片结构，之后DNA瓦片逐渐发展，结构越来越复杂，并由此构建了各种一维和二维晶格；而直到Zheng等通过构造张拉整体三角形结构，才制造出三维DNA单晶。利用DNA瓦片构造三维晶格的可能性被证明后，一系列的三维晶格被成功构建，DNA瓦片组装的晶体应用在各个方面。
在1982年，Seeman就提出可使用分支DNA单元通过互相连接组装出三维周期结构。次年，Seeman等使用16个碱基长的单链DNA相互配对连接，在溶液中制备出了稳定四聚体结构。之后Seeman等进一步合成出了三臂、五臂、六臂、八臂和十二臂等不同分支的DNA结构，扩展了DNA分支结构的丰富。随着多种DNA结构的提出，Yan等进一步使用3臂和4臂分支DNA组装出了具有阿基米德平铺的多边形镶嵌图案（图2a），这展现出DNA组装二维准晶体结构的可能性。但是，随着分支程度的增加，需要有更多核苷酸碱基对的长臂以维持稳定性，而这些分支臂结构却通常不具有组装更大周期结构所需的足够刚性。
图2. （a）阿基米德图形及构成其的DNA瓦片；（b）三种链构成的“六点星”DNA瓦片及其组装的六边形晶格示意图；（c）张拉整体三角形示意图；（d）使用DNA拉张整体三角形构建的菱方(R3)和六方晶格(P63)
1993年，Seeman提出了另一种“双交叉分子”（DNA double-crossover molecule，DX）的结构，通过在两个并列排布的双螺旋结构中用单链DNA引入交叉，所构造出的这种新DNA结构相比之前具有更高的刚性，为进一步组装出更大的结构提供了可能。之后，Seeman等受到平面密铺理论中王浩瓦片的启发，通过不同DX结构粘性末端的特异性配对，自组装出三种具有两类不同拓扑结构的二维晶格，展示了该结构在构建周期性阵列的潜力。此外，他们用每个边缘为DX的三角形DNA瓦片组装出伪六边形晶格，并且证明三角形边缘所具有的两个粘性末端对于晶格的形成至关重要。在此基础上，Mao等设计出了一种三点星DNA瓦片，自组装出了1mm大小的二维多孔六方晶格结构，六边形孔径的大小为18nm。之后，Mao等又设计了四点星、五点星、六点星(图2b)等一系列DNA瓦片，得到了多种二维DNA晶格，并通过将五点星和六点星共同自组装，制备出十二边形准晶DNA晶格。然而，这些组装结构都限制于二维平面内，研究者们希望开发出一种能在三维空间进行延伸的DNA结构单元。
作为最早提出的DNA组装结构，DNA瓦片在形成一维与二维晶格方面有着重要的指导意义，其组装方法简单，容易形成尺度较大的结构。然而，受限于模块本身的结构，DNA瓦片因空腔较小难以容纳较大的纳米颗粒，组装结构的复杂程度也十分有限，形成三维晶体的难度较高。
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2 以DNA为连接器的纳米颗粒结晶
图3.（a）PAE组成及构成晶体示意图；（b）通过改变DNA连接体的序列将金纳米粒子-DNA偶联物编程组装成不同的晶体排列；（c）pH变化引发的晶格收缩和膨胀；（d）EEs与PAE组成的四种胶体晶体合金等价物。
制备动态、可重构和可对刺激响应的纳米晶体提供了动态控制材料的性质和功能的有效途径，能极大地丰富这些材料的应用场景，但组成晶体的单元之间相互作用往往一旦变化就会破坏晶体的完整性。DNA是制备这种动态结构的一种理想分子。柔性的DNA外壳因具有结构可塑性和相互作用的可逆性，提供了超晶格动态变化的可能性。通过设计DNA序列，可以获得各种DNA三级结构，如hairpin和i-motif等，一些小分子或特定基团可以插入或修饰在DNA分子上，通过特殊机制实现DNA构象的转化。除此之外，阳离子价态与浓度本身也能影响溶液相中的DNA构象。Mirkin等利用了hairpin和i-motif(图3c)结构，分别使用DNA链和pH作为外部刺激，以实现超晶格的可逆收缩、膨胀和晶体对称性的转换，除此之外，他们还制作了形状记忆晶体，在脱水和复水的情况下实现晶体的不规则收缩与快速恢复。超晶格的光学响应可以通过偶氮苯分子的光学异构化来实现。Gang等修饰了DNA连接子中的光敏基团，以提高超晶格在DNA变性条件下的稳定性，并能通过改变光照条件实现组装和分解之间的可逆变化。有趣的是，虽然一般认为PAE的无机纳米粒子为超晶格提供了刚性，但也存在利用PAE的核心进行物理控制来改变其晶格的可能性，这一工作丰富了人们对PAE组装晶格过程中可控制因素的认识。
值得注意的是，最近Girard等发现了PAE出现了一种在传统观点认知之外的新扩散行为：他们发现当尺寸和DNA连接体密度降低时，小的PAEs可以表现为电子当量（electron equivalents，EEs），这些EE可以通过PAE形成的晶格扩散并稳定，类似电子在金属中的扩散，其EE的离域和扩散程度受温度和表面结合的DNA链数量的影响。PAE与EE建立的“价电子”新概念，类似于化学键中的价壳层电子对排斥（VSEPR）理论，利用这种新机制，能够设计合成各种胶体晶体合金，包括有原子类似物的胶体晶体合金(图3d)和没有自然的等效物的三重双陀螺低对称性结构，以及更多的低对称性和复杂的胶体晶体结构。这些工作表明PAE能构建与金属相似的体系，展示了其与传统化学的更多相似之处，极大地拓展了人们对DNA纳米技术的认识。
经过二十多年的发展，利用PAE进行结晶已经成为一种较为成熟的超晶格制备方法，其生长过程的很多影响因素得到了具体的探究，也明确提出了指导规则。不过，由于其结晶的约束条件较多，结晶行为受到纳米粒子形状、组分、尺寸等粒子固有属性的限制，所形成的结构复杂度有限，且形成有序结构所需的粒子表面DNA密度较大，其将纳米颗粒结晶为各种形状的潜力依旧有限。
03
3 基于DNA折纸的纳米颗粒晶体组装技术
DNA瓦片和PAE是DNA纳米技术中构建纳米粒子超晶格的强大方法，也能以所需的方式定制DNA结构，但这些方法在使用DNA实现将纳米颗粒组装成设计的晶体材料时仍有不足。要实现构建三维晶体作为纳米颗粒分子结晶支架模板的基本目标，这种支架需要有几种特性：要有够大的空腔以容纳纳米颗粒，要有足够高的可设计性以形成复杂结构和晶格，要能与纳米颗粒特性解耦以利于随时将其并入结构。DNA瓦片结构的空腔不足、PAE的粒子核心本质上是所得结构的一部分，这与所需支架的要求产生了矛盾。DNA折纸的出现展示了DNA纳米技术的巨大潜力，使人们看到了形成三维周期性分子支架的理想技术。
2006年，加州理工大学的Rothemund提出了一种构建DNA结构的新方法，被称为“DNA折纸”。上百条短链DNA(订书钉链)交叉连接以折叠一个长的单链环状DNA(支架链)，将支架链与对应设计得到的订书钉链混合，在95℃高温下保持单链的状态，随后在缓冲溶液中逐步降温；在碱基配对的驱动下，订书钉链即可将支架链折叠成所需的单层平面图案(图4a)。利用该技术Rothemund等成功组装出了矩形、三角形、五角星形和笑脸等预先设计二维结构。DNA折纸吸引了许多非化学家展开对其的研究，因为其使用在很多情况下都不需要对订书钉链进行纯化，且通过简单的纯化就能获得高产率的DNA折纸结构，组装方法简便且效率高。许多团队用这种方法组装出了各种复杂的结构，如中国地图、海豚等。此后，Shih等将DNA折纸方法扩展到构建三维结构，设计出了由DNA双螺旋堆叠起来形成的、比单层的DNA折纸有着更强刚性的蜂窝状晶格(6HB) (图4b)，并利用这种单元成功制备了多种复杂的结构。
在设计DNA折纸结构的发展历程中，曲率的实现是拓展DNA折纸结构复杂性的重要进展之一。Shih等在设计出6HB后，提出了一种在曲率方面拓展DNA折纸形状设计的策略。正常的B型DNA螺旋每隔7个碱基对，其螺旋路径会旋转240°，在蜂窝阵列的DNA折纸结构中，由于相邻DNA束之间存在连接，一个DNA螺旋在删除或插入碱基 对后会对相邻DNA束产生左手或右手扭矩和拉力。利用这个原理，Shih等首次实现了包括扭曲、弯折和螺旋等具有曲率的DNA折纸结构，Yan等也设计出无支架链的曲率环。此外，Shih等和Yan等又分别提出了在不借助DNA结构中碱基对缺失或插入产生的应力情况下实现曲率的新策略。Shih等依靠单链DNA产生的机械张力将一定刚性的DNA螺旋弯曲而产生曲率；Yan等按照一定的规则将DNA支架链排列为预先设计的具有曲率的形状，并通过相应的DNA钉将其固定，抵消DNA双螺旋由于自身刚性而产生的抵抗弯曲的能力，由此构造了复杂的三维花瓶DNA折纸结构。这些构建具有曲率的DNA折纸结构策略的提出为科学家们设计具有更多复杂性的结构提供了可能，也拓展了DNA折纸在纳米机器人应用的可能性。
利用DNA分子构建三维晶体作为周期性分子支架，以精确排列单独难以结晶的纳米颗粒是DNA纳米技术一直以来的基本目标，所形成的三维纳米颗粒阵列具有特别的影响力，因为这种结构通过集成大量纳米组分，提供了获得具有集成特性的大规模空间组织纳米材料的途径。虽然DNA折纸能够对结构的大小和形状进行精细的定制，可以制备各种独特的结构，但其结构之间存在的相互作用十分复杂，组装过程中熵和焓的影响因素不够明确，因此将DNA折纸结构组装成有序的超晶格或三维DNA晶体是非常有挑战性的。Tian等使用6HB构造了具有顶部编码的刚性DNA折纸八面体，通过特异性编码与纳米颗粒连接，可以实现纳米颗粒在一维或二维上的规则排列，基于此方法也可以有效地创建三维纳米颗粒簇。之后，Gang等同样利用6HB，构造了一种DNA折纸四面体，其定义的四价结合拓扑结构与纳米颗粒外部连接能组装形成FCC超晶格，且通过在四面体内封装一个额外的纳米颗粒产生了金刚石结构晶体，这是DNA折纸领域构建三维晶格的重大突破。尽管根据以前粗略的认识，由于键的旋转可能导致的缺陷，DNA折纸四面体并不足以组装成有序的金刚石结构晶体，但通过对各向同性纳米颗粒结合“足迹”的计算，Gang等证明了由DNA折纸外部连接的纳米颗粒组装成FCC结构具有热力学上的优势，且折纸四面体之间的静电和空间排斥也有利于形成FCC结构。之后，Tian等设计了多种DNA折纸多面体框架(图4c)，通过顶点的DNA功能链与纳米颗粒连接组装成三维晶体，使这种构建三维晶格的方法得以进一步发展。
除了作为纳米颗粒之间的连接体外，DNA折纸本身也能相互作用组装成有序结构，且纳米颗粒可以被DNA功能化从而连接到DNA框架的内部以携带材料功能。Gang等设计了一种具有不同“颜色”的平面折纸模块，可以通过“颜色”之间不同的连接方式创建多种一维或二维结构。DNA纳米室的组装探讨了利用更多不同方向和数量“颜色”键合以形成各种维度有序阵列的可能性。Wang等构建了纳米颗粒与DNA折纸的组合模块，利用“颜色”及模块几何形状的不同得到线形、正方形等平 面组装。之后，Tian等将这种方法扩展到三维，他们展示了一种将蛋白质组织成三维晶格的通用方法，将DNA功能化的蛋白质封装进DNA折纸多面体框架，DNA框架可以由顶点之间DNA单链的粘性末端进行互补杂交组装成三维晶格。Liedl等也利用DNA折纸构建了张拉整体三角形结构，组装成了具有20nm较大空腔的三维菱形晶体。这些结构组装产生的有序结构与被封装在DNA折纸多面体框架内的纳米颗粒无关，而完全由DNA折纸框架的拓扑形状决定，这为更多难以结晶的纳米颗粒形成有序晶格提供了可能。他们成功将纳米颗粒固有性质与组装结构解耦，能将多种纳米颗粒(包括金纳米粒子、蛋白质、酶等)组装成有序的三维晶格，甚至进一 步制备出了具有Wulff形状的DNA折纸单晶(图4d)。
无论是使用DNA折纸作为纳米颗粒之间的拓扑连接体，还是将DNA折纸框架直接相互连接组装成三维晶格，其结构定义的结合价和其几何形状导致的连接方式对产生的宏观结构有着重要的影响，这允许人们利用具有不同拓扑结构的DNA折纸框架来控制不同维度的结构，甚至组装得到使用相同纳米颗粒的不同晶格。此外，通过设计连接部分粘性末端也能达到影响组装晶格类型的目的，甚至能使晶体在外加刺激下产生相变。Tian等通过设计两种折纸八面体的SE，使其能够以不同的方式连接，将纳米颗粒选择性地放入折纸八面体单体以得到纳米粒子的不同晶格；进一步拓展这种方法，将多个单位的DNA折纸作为基本组装模块，这极大地扩充了DNA折纸所能合成的超晶格类型库。除此之外，由于DNA折纸八面体组装为晶体的过程受到离子强度的重要影响，Dai等通过简单地调节Mg2+的浓度，成功将DNA折纸八面体组装成简单立方(SC)、面心立方(FCC)等不同的晶格，实现了在不同环境下晶体的相变。晶体的相变还可以通过在SE引入对pH敏感的i-motif，使其在pH变化时改变DNA折纸框架连接链的长度，从而使晶格类型在简单立方(SC)和简单四方(ST)之间切换。Yan等还引入了发夹序列，通过key序列或lock序列的结合将发夹序列打开或关闭，从而改变DNA折纸框架的间距，晶体的晶格常数随之变化而产生相变，由此构建了具有多重相变能力的动态可重构DNA折纸晶体。从这些研究看，要构建具有相变能力的DNA折纸晶体，关键在于引入可与DNA结合的可变化分子，通过外加变化刺激相应分子变化，单个DNA折纸模块因此变化，并传导到整个DNA折纸晶体，以达到获取不同三维晶格的目的。
DNA折纸通常需要高阳离子强度的溶液来维持其结构，且其对溶液环境的要求比较严格，在遭受强烈外加刺激时往往容易解离，提高DNA折纸的稳定性有利于推进其在各领域的应用。Ma等将刚性DNA棒作为DNA折纸框架的连接部分，提高了共晶的刚性和抗压性，使得在溶液环境较为恶劣的情况下仍保持其结构。提高DNA折纸结构稳定性的另一种有效方法是用二氧化硅外壳作保护性包裹，使DNA折纸在高温或DNA酶存在等有害环境下也能保持结构的完整。三维的DNA 折纸晶体也能用二氧化硅矿化，从而脱离溶液保存，并允许对其三维结构进行详细分析。例如，DNA折纸单晶直接干燥后通过透射电子显微镜(TEM)观察时，由于软DNA晶体在干燥过程中的塌陷等原因无法细致地观察到其有序排列，而用二氧化硅将DNA折纸矿化后，用扫描电子显微镜(SEM)就能观察到其微晶表面的结构，还可以利用高分辨率电子显微镜对包硅的DNA折纸单晶进行断层三维重建。除此之外，还能进一步将二氧化硅矿化的DNA折纸结构涂覆上超导铌(Nb)或转化为SiC，以产生能应用于各种超导或光电材料的结构，大大发挥了DNA折纸纳米技术的潜力。
目前，DNA折纸术是可设计性最高的DNA结构制作方法之一，DNA折纸之间的连接允许开发更复杂的支架，产生各种对称性的晶格，也可以结合纳米颗粒，在该过程中，粒子在组装的体系结构中不起结构作用，这显著降低了将它们用DNA功能化的要求，只要纳米粒子能够耦合在DNA折纸单元上，就可以按照模板规定的晶体对称性和晶胞参数进行有序结晶。因此，DNA折纸是目前较为先进的为特定任务设计DNA结构的方法，也是形成装载纳米颗粒的晶体的理想技术之一。
结论与展望
在以前，将纳米颗粒组装成晶体大多依赖于其物理上的粒子间相互作用，缺乏对结合强度和方向性的控制能力使纳米颗粒构建成具有纳米级精度的结构成为巨大挑战。而在过去的几十年里，利用DNA具有的明确键合特性将纳米颗粒组装成晶体已经在DNA瓦片、PAE和DNA折纸技术中实现。DNA纳米技术已经发展成为设计和合成高精度纳米结构及组织的强大方法，其集成纳米颗粒特性的能力备受人们青睐。与其他自下而上组装结构的方法对比，DNA具有的化学可编程性使DNA纳米技术具有显著优势。利用DNA纳米技术，可以精确构建纳米级的结构组装模块，将纳米颗粒组装成高度有序的宏观结构，制造三维晶体，而纳米颗粒几乎可以装载进结构中的任意周期性位置，这是其他技术所无法实现的。
如今，DNA晶体已经展示出了在催化剂、光学器件、半导体材料等许多场景中的应用潜力。未来，研究如何利用DNA分子的自组装能力构建三维晶体，探究三维DNA晶体的功能，对DNA纳米技术在生物医学、化学和材料科学方面的突破具有重要意义。而研究如何将不同功能的DNA纳米器件集成到一个系统中，以实现多功能的纳米器件将推动DNA纳米技术在生物传感、生物计算等领域的应用进一步发展。此外，如何大规模制造DNA晶体、开发高效可控的DNA纳米结构 制备方法、改善工艺降低DNA纳米技术的制备成本，应成为DNA纳米技术重要的研究方向，以实现DNA纳米技术的商业化应用，满足其在包括生物医药、光学器件、半导体材料等领域的需要。
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DOI: 10.7536/PC240116
