樊春海院士2020年代表性成果集锦！
奇物论
2021-05-10
纳米人编辑部对2020年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理，今天，我们要介绍的是中国科学院院士，上海交通大学樊春海教授课题组。樊春海，上海交通大学化学化工学院王宽诚讲席教授，中国科学院院士。主要研究方向为生物传感与成像、DNA纳米技术与DNA计算和生物光子学。以下对樊春海院士研究团队2020年的部分研究工作进行归纳，供大家学习交流
Nature Chemistry：新型DNA折纸，改变DNA纳米技术世界！
目前，据报道有两种策略可以构建微米级的DNA结构。一种方法是以支架为原始材料继续增大成更大的DNA折纸。另一种方法是使用粘性末端内聚或平末端堆叠将单个折纸结构连接在一起。每一个微米级的DNA结构通常需要一个或几个不同大小、形状和规定的匹配规则的独特DNA折纸。那能否先构建一个多功能的亚微米的3D构建块，从而进一步构建出微米尺度的DNA物件呢？鉴于此，美国亚利桑那州立大学颜灏教授、上海交通大学樊春海院士等人开发了一种通用的“元DNA”（M-DNA）策略，该策略允许各种亚微米到微米大小的DNA结构以类似于在纳米级水平上简单的短DNA链自组装的方式进行自组装。研究人员仅使用一种类型的DNA单元即可构建各种各样的静态和动态亚微米和微米尺度的DNA结构，这将打开光电子学（包括信息存储和加密）以及合成生物学领域。成果以题为“Meta-DNA structures”发表于Nature Chemistry上。值得注意的是，颜灏教授和樊春海教授曾于2018年合作了关于以DNA折纸为模板制备复杂二氧化硅复合纳米材料，发表在Nature期刊上。六螺旋DNA折纸束带有几个未配对的DNA探针作为其自身的“碱基”，被设计用作M-DNA单元。该结构具有三个与经典短ssDNA寡核苷酸相似的特性。1）首先，M-DNA可以与其互补的M-DNA形成具有特定“碱基对”的“键”。M-DNA的碱基（M-碱基）由一组十个核苷酸（nt）长的ssDNA突出端组成，该突出端设计为从M-DNA上的特定位置延伸。M-碱基可以用多达410个不同的序列进行编程，这使得该结构能够在互补的M-碱基对之间提供足够的正交相互作用。2）其次，M-DNA相对较硬，持续长度约为2μm。从选定的位置去除一些链可获得可调的局部柔韧性。这种可编程的灵活性和刚性使M-DNA可以形成不同的几何形状。3）第三，M-DNA是3D物体（420 nm × 6 nm × 6nm），具有可用于杂交的M碱基的3D排列，这使得它们能够组装成1D、2D和3D结构。具有M碱基螺旋排列的两个互补M-DNA将自组装成双螺旋结构，该结构模仿了双螺旋DNA的构型。基于M-DNA，通过改变扭转角和将M碱基的分布手性，研究人员构建了具有不同转数和不同手性的双链M-DNA（dsM-DNA）。并使用了DNA的粗粒度计算模型来模拟dsM-DNA结构，并了解所获得的左手和右手结构的不同产量。此外，仅仅通过改变单个M-DNA的局部柔性及其相互作用，就能够构建从1D到3D的一系列亚微米或微米尺度的DNA结构，具有各种几何形状，其中包括元连接（M-连接）、元双交叉tiles（M-DX）、四面体、八面体、棱柱体以及六种紧密排列的晶格。组装结构的尺寸范围从几百纳米到几微米，其尺寸与先前使用各种DNA折纸构件所建造的微米结构相当。图|自折叠、自连接的M-DNA结构和自组装的3D多面体图|1D、2D和3D M-DNA微米级结构的自组装除了静态的自组装DNA结构外，DNA纳米结构的另一个吸引人的特性是它具有可编程的动态重排能力。研究人员初步展示了通过基于M-DNA的层次链置换产生的动态反应，这显示了创建具有动态重新组合的微米级M-DNA结构以及编程M-DNA响应其环境变化的自组装行为的可能性。在未来，可以使用M-DNA合理设计更复杂的电路、分子马达和纳米器件，并将其用于与生物传感和分子计算有关的应用中。这项研究将使建立动态的微米级DNA结构变得更加可行。未来的一些发展可能会进一步改善M-DNA组装方法。例如：1）目前，M-DNA的长度是420nm，则可以通过使用更长或更短的DNA支架分别产生更长或更短的M-DNA。2）现在的M-DNA的形状是线性的，但也可以通过端到端的自连接将其制成圆形，三角形，矩形和其他多边形，或用于构建各种多面体和棱柱体。3）此外，这里使用的M碱基是10nt ssDNA，这使最终结构变得多孔，则可以创建其他相互作用，例如较短的M碱基，形状互补性，i-基序（pH敏感）或光敏分子修饰的寡核苷酸，以建立更刚性或刺激响应的结构。4）还可以使用M-DNA方法来模拟单链RNA或蛋白质折叠。通过改变M-DNA上的相互作用点，可以实现更复杂的折叠途径和构型。综上所述，该研究演示了一种通用方法，仅使用一种类型的DNA单元即可构建各种各样的静态和动态亚微米和微米尺度的DNA结构。M-DNA不仅是扩增的DNA，它还具有其自身的结构特征，并且可以自折叠成各种目标形状。该方法可能潜在地用于在宏观规模上创建更多的DNA结构，并以可编程配置来定位功能组件。期望引入M-DNA策略可以将DNA纳米技术从纳米级转变为微观级别。这将在亚微米和微米级别创建一系列复杂的静态和动态结构，从而能够在新的应用中使用它。例如，可以将其用作支架，以图案化比以前更大、更复杂的功能组件。这也可能导致更巧妙的和复杂的行为，以通过结合不同的基于M-DNA的层级链置换反应来模拟细胞或细胞成分。M-DNA自组装概念可能会完全改变结构DNA纳米技术的微观世界。Yao, G., et al. Meta-DNA structures. Nat. Chem. (2020). https://doi.org/10.1038/s41557-020-0539-8
Chem：DNA编码磷酸钙矿化
大自然已经进化出可以利用基因编码的蛋白质支架在各种长度的尺度上生成精致的生物矿物质的独特策略。然而，设计可编程仿生矿化纳米结构的能力仍然有限。有鉴于此，上海交通大学樊春海院士等人报道了自组装DNA框架可以精确地和多功能地进行编码磷酸钙（CaP）的纳米矿化。研究人员确定DNA-CaP纳米结构的大小和形状是由DNA序列内编码的结构信息以及DNA磷酸骨架和矿物对应物之间的静电相互作用所编程的。该策略的普遍性通过使用二维和三维DNA框架（范围从〜10到〜100 nm）得到验证。研究人员进一步发现CaP矿化固化的DNA骨架可以作为一种可持续的纳米药物在活细胞中传递。这些发现为纳米级矿化开辟了一条新途径，其前所未有的复杂体系结构可用于多种用途。Liu X, Jing X, Liu P, Pan M, Liu Z, Dai X, et al. DNA Framework-Encoded Mineralization of Calcium Phosphate. Chem.https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.12.003
JACS: 工程细胞折纸团簇用于编程细胞间通信
以团簇形式存在的细胞往往表现出与单分散形式不同的生理功能，它们与组织器官发育、免疫反应和肿瘤转移密切相关。然而，作为探测和操纵细胞间通讯的体外模型，构建人工细胞簇的能力仍然有限。于此，上海交通大学樊春海院士和上海高等研究院李江等人设计了基于DNA折纸纳米结构（DON）的仿生膜通道来组织具有受控几何构型和细胞间通讯的细胞折纸簇（COC）。1）研究证明，不同构型的同型和异型COCs的可编程模式可导致三种不同类型的细胞间通信：间隙连接、隧道纳米管和免疫/肿瘤细胞相互作用。2）特别是T细胞和癌细胞按规定的比例和几何结构组织，可以编程体外免疫应答，为理解和工程化癌症免疫治疗提供了新途径。Zhilei Ge, et al. Programming Cell–Cell Communications with Engineered Cell Origami Clusters. Journal of the American Chemical Society 2020.DOI: 10.1021/jacs.0c01580https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c01580
JACS:DNA折纸辐射计，用于测量紫外线暴露
紫外线（UV）长期以来被认为会损害核酸。在这项工作中，中国科学院上海应用物理研究所王丽华和同济大学柳华杰等人，其中，樊春海院士为共同作者，开发了一个DNA折纸辐射计，通过监测DNA折纸纳米结构的形态演变来测量紫外线照射。1）不同于线性DNA链在紫外线照射下往往会降解成小段，DNA折纸的结构复杂性和链间连接性显著改变了UV诱导的DNA损伤的途径。2）对于DNA折纸，无论其形状和大小，都可以观察到其膨胀、变形和最终分解的一般途径；然而，变形动力学与纳米结构中的刻痕数量正相关。这种依赖于结构连续性的变形可以转化为基于DNA的辐射计，用于测量环境中的紫外线剂量。Weina Fang, et al. DNA Origami Radiometers for Measuring Ultraviolet Exposure. Journal of the American Chemical Society 2020.DOI: 10.1021/jacs.0c01254https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c01254
Nano. Today：血液接触氧化石墨烯可能会导致非人灵长类动物的过敏性死亡
氧化石墨烯(GO)的毒理学评估一直在积极进行中。然而，氧化石墨烯的安全性在目前仍然存在着很大的争议，特别是在高等哺乳动物中缺乏对其毒理学特性的研究。中科院上海高等研究院诸颖研究员和上海交通大学樊春海院士研究发现，当血液暴露在低于最大安全起始剂量的GO下，哺乳动物可能会发生意外死亡，包括非人类灵长类动物(1 / 5的猕猴和7 / 121只小鼠)，而在其他动物中仍然普遍适用。
1）实验在死亡动物中发现免疫球蛋白E水平升高以及严重的肺损伤，表明氧化石墨烯会引起急性的过敏反应。2）值得注意的是，实验并没有观察到其他两种碳纳米材料（单壁碳纳米管和纳米金刚石）会引发过敏反应和死亡。这种差异可能是由于二维氧化石墨烯材料在体内的循环时间较长所致。因此，这一研究也充分凸显了评估石墨烯和其他纳米材料过敏性风险的紧迫性。Yunfeng Lin. et al. Blood exposure to graphene oxide may cause anaphylactic death in non-human primates. Nano Taday. 2020https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013220300918
AM:细胞器特异性纳米酶用于糖尿病护理
纳米酶的发展已对诊断和治疗产生积极影响。然而，了解这些纳米酶对生化途径和代谢稳态的全部作用仍然难以捉摸。于此，上海交通大学宋海云研究员、樊春海院士、王慧教授等人发现氧化铁纳米颗粒（Fe3O4 NPs）是一种公认的纳米酶，可以通过它们在酸性溶酶体中的过氧化物酶样活性来局部调节能量传感器腺苷5'-单磷酸激活蛋白激酶（AMPK），从而促进葡萄糖代谢和胰岛素反应。1）Fe3O4 NPs在多种代谢活跃细胞以及胰岛素抵抗细胞模型中诱导AMPK活化并增强葡萄糖摄取。饮食中的Fe3O4 NPs对通过基因操作或高糖饮食诱导的糖尿病果蝇模型中的高血糖和高胰岛素血症具有治疗作用。2）更重要的是，腹膜内施用Fe3O4 NPs可刺激糖尿病ob / ob小鼠体内代谢组织中的AMPK活性，降低血糖水平，并改善葡萄糖耐量和胰岛素敏感性。这项研究揭示了Fe3O4 NP在AMPK激活、血糖控制和胰岛素抵抗改善方面的内在细胞器特有特性，表明它们在糖尿病护理中的潜在功效。Zhou, Y., et al., An Organelle‐Specific Nanozyme for Diabetes Care in Genetically or Diet‐Induced Models. Adv. Mater. 2020, 2003708.https://doi.org/10.1002/adma.202003708
Nano Letters：细胞膜伪装纳米颗粒用于细胞类型特异性靶向递送的等离激元成像
由于细胞膜伪装纳米颗粒（CMC-NPs）具有高生物相容性和细胞类型特异性肿瘤靶向性，因此越来越多地被用于开发各种治疗手段。然而，CMC-NPs用于同型靶向的分子机制仍然难以捉摸。在此，上海师范大学陈楠、上海交通大学樊春海等人开发了一种用癌细胞膜包裹金纳米粒子（AuNPs）的等离激元成像方法，并在单细胞水平上对CMC-NPs与活细胞之间的相互作用进行等离激元成像。1）对CMC-NPs在不同聚集状态下的定量分析表明，CMC-NPs上细胞膜的存在使同型细胞的递送增加了7倍，细胞内聚集过程增加了近2个数量级。2）重要的是，研究发现整合素αvβ3（一种在肿瘤细胞中大量表达的细胞表面受体），对于CMC-NPs的选择性细胞识别至关重要。综上所述，本研究中建立的用于探测纳米粒子与细胞相互作用的单细胞等离激元成像平台，为CMC-NPs的治疗应用提供了新思路。Xiaodong Xi, et al. Unraveling Cell-Type-Specific Targeted Delivery of Membrane-Camouflaged Nanoparticles with Plasmonic Imaging. Nano Lett., 2020.DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01503https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01503除此之外，樊春海院士课题组还有一些生物传感方向的研究以及与其他研究人员合作的相关研究，感兴趣的可以参考课题组网站或者Publons上进行学习。课题组网站：http://physbio.sinap.ac.cn/zucheng/fch.htmPublons：https://publons.com/researcher/1747127/chunhai-fan/樊春海，上海交通大学化学化工学院王宽诚讲席教授，中国科学院院士。1996年本科毕业于南京大学，2000年博士毕业于南京大学，后在圣芭芭拉加州大学从事博士后研究(导师：2000年诺贝尔化学奖得主Alan J. Heeger教授)。2012-2016年任科技部纳米973首席科学家。入选美国科学促进会(AAAS)、国际电化学学会(ISE)和英国皇家化学会(RSC)会士，兼任ACS Applied Materials & Interfaces副主编，ChemPlusChem编委会共同主席。已在Nature，Nature和Science子刊等杂志发表论文500余篇，H-index>100，自2014年起连续入选“全球高被引科学家”。部分成果获2016年国家自然科学二等奖(第一完成人)，并获2019年度何梁何利基金科学与技术创新奖、美国化学会“测量科学进展讲座奖”和第十二届“谈家桢生命科学创新奖”。
