作者：Sebastian Loescher, Saskia Groeer, and Andreas Walther
发表时间：20 April 2018
https://doi.org/10.1002/ange.201801700
NGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION 影响因子：16.9
背景介绍
在纳米尺度，“把原子放在想要的位置”仍是终极挑战。传统自上而下光刻逼近物理极限，且对生物环境不友好；而自下而上的生物分子自组装虽温和，却常受限于尺寸小、形状单一、产量低。该技术依托序列特异性DNA杂交无可比拟的分子可编程性：一条长单链DNA（支架）与众多短单链寡核苷酸（订书钉链）一步杂交，即可将支架折叠成精确3D晶格，高产率获得几何均一、单分散的纳米级结构，空间定位误差可控制在 2 nm 以内，产率超过 90%。
晶格工程通过周期性交叉双螺旋赋予结构接近肌动蛋白丝的弯曲刚度，同时保留 DNA 可寻址、可功能化和可降解的固有优势，为自下而上构造复杂纳米系统提供了兼具原子级精度与宏观可扩展性的通用平台。其意义不仅在于突破传统“刻蚀-加工”范式，更在于把碱基序列直接转化为三维地址编码，实现从分子到材料、从体外到体内的无缝衔接，为定量生物物理、智能药物递送、手性超材料及单分子器件开辟了新路径。
图文解读
图1 | 基于支架的晶格工程3D DNA折纸原理
a) 一条长而主要为环状的单链DNA支架（蓝色）通过寡核苷酸订书钉链（橙、红）在退火过程中精确配对，形成单分散、预先编程的3D纳米结构；每个圆柱代表一条双螺旋。
b) 3D DNA折纸的应用概览：
- 左上：可控各向异性价态的分级自组装；
- 左下：用于单分子水平研究蛋白相互作用的3D DNA折纸纳米器件；
- 中部：由3D DNA折纸纳米孔形成的跨膜通道；
- 右上：手性等离子体纳米结构；
- 右下：基于3D DNA折纸的靶向药物递送。
图2 | 基于支架的晶格工程3D DNA折纸结构工作流程与原理概览
a) 在蜂窝晶格3D DNA折纸中，每条由支架和订书钉形成的双螺旋（圆柱）与3条相邻螺旋接触；订书钉交叉每7 bp允许一次（同色阵列格），对应10.5 bp/螺旋。
b) 偏离7 bp规则导致局部过旋（<7 bp）或欠旋（>7 bp）；通过梯度增减碱基可调控平均bp/turn，获得扭曲或弯曲纳米结构。
c) 方格晶格中每条螺旋有4条邻居，交叉每8 bp一次，10.67 bp/turn使结构略变形。
d) caDNAno设计流程：左侧目标结构→中间排列螺旋并自动添加订书钉交叉→右侧CanDo热图预测柔性。
e) 负染TEM验证蜂窝晶格与设计一致。
f) 凝胶电泳（GEP）显示Mg²⁺浓度对折叠质量的影响，TEM对应差（左）与好（右）折叠结构。
图3 | 分级自组装形成不同纳米结构实体
a) 通过双链形成将刚性3D DNA折纸纳米颗粒组装成多面体纳米结构；标尺100 nm。
b) 利用形状互补连接子和几何约束实现3D DNA折纸纳米颗粒的自限分级自组装；标尺600 nm。
c) 人形3D DNA折纸结构的分级自组装，其构象可通过离子强度开关调控；标尺25 nm。
图4 | 3D DNA折纸纳米颗粒向宏观体系的分级自组装
a) 形状互补驱动纳米圆柱自组装成带状结构；标尺50 nm。
b) 通过调控自组装路径（碱基配对与堆积切换柔性/刚性），使单个3D DNA折纸NP组装成持续长度可调的丝；插图TEM类平均图显示柔性（左）与刚性（右）单体。
c) 在过量断开链存在下，双链连接子（青色补钉）诱导立方体3D DNA折纸发生多价协同结合形成超胶体聚合物；温度切换实现结构重构。
d) 高浓度扭曲3D DNA折纸纳米圆柱形成胆甾相液晶，螺距可调；左：不同扭曲双束，右：偏光显微图（螺距递减）；标尺20 μm。
图5 | 3D DNA折纸与生物界面的融合
a) 顶部：纳米笼酶对提高催化效率与稳定性；中部：半笼中单个酶因负电环境稳定而活性增强，双酶（HRO+GOx(Full[G/H])）共笼后级联通讯进一步增强；底部：小酶因纳米笼强制活性构象，增强效应更显著。
b) 大直径3D DNA折纸纳米孔可自发插入巨型单层囊泡（GUV）；右：i. 共聚焦监测荧光染料内流，ii. 无孔对照。
c) 桶形3D DNA纳米载体利用适配体识别实现靶向药物释放。
d) 脂质双分子层包裹保护3D DNA折纸；底部：小鼠注射120 min后荧光成像，橙：游离寡核苷酸，蓝：未保护折纸，绿：脂质保护折纸；校准棒500–20 000 afu。
图6 | 作为简易机器的3D DNA折纸结构
a) 曲柄滑块机构实现受约束运动。
b) 互锁3D DNA折纸轮烷结构：
- 上部：通过“关闭链”临时固定可动部件，再用“释放燃料链”解除固定，TEM显示完整组装体（标尺50 nm）。
- 下部：燃料/反燃料链进行链置换，可将滑块锁定在不同位置，FRET信号实时读取。
图7 | 用于力测量的3D DNA折纸纳米传感器
a) 利用双束光阱中两根刚性折纸梁作为间隔件，测量碱基堆叠相互作用力。
b) 3D DNA折纸“力钳”：通过FRET增量测量目标分子（此处为TATA结合蛋白）结合后ssDNA所受的机械力。
c) 双桶形3D DNA折纸联体系：通过开-关态波动测量聚合物的耗尽力。
- 右上：TEM显示闭合与开放态；
- 右下：增加受限连接子（绿）比例使角概率向大角度偏移（蓝）；
- 左下：自由能差（黑）随PEG35浓度线性增加，可在飞牛顿尺度标定耗尽力（红）。
图8 | 利用3D DNA折纸纳米结构产生复杂光学性能的应用
a) 表面固定的3D DNA折纸纳米柱用作3D超分辨显微标准：
- 右上：染料定位点云（间距200 nm）与结合角θ；
- 左下：玻璃-缓冲液折射失配使柱长虚增；
- 右下：经折射修正的柱长作为校准标准。
b) 在24螺旋束上螺旋排列金纳米颗粒构建手性等离子体结构，并给出左/右手螺旋的圆二色（CD）光谱。
c) 通过pH依赖的三链体形成实现手性等离子体结构的选择性重构：不同pH打开特定三链体序列，准对映体可逆切换。
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