近日，上海高等研究院光源科学中心物理生物学研究室、上海应用物理研究所和上海交通大学合作发展了一种用单链DNA编码金纳米粒子的方法，并实现了动态“纳米”分子反应。该方法通过设计一条多嵌段的单链DNA序列，可以赋予金纳米粒子类似原子的离散价态和正交价键。这些“纳米”原子则可通过DNA分子反应组装成各向异性的“纳米”分子，并进而产生“纳米”分子反应。该工作以“Programming nanoparticle valence bonds with single-stranded DNA encoders”为题于Nature Materials 在线发表(https://www.nature.com/articles/s41563-019-0549-3)。姚广保、李江、李茜和陈晓亮为论文的共同第一作者，樊春海院士与荷兰格罗宁根大学Bernard L. Feringa院士为共同通讯作者。该工作还得到了上海光源BL19U2小角散射线站的支持。 

对微观尺度的分子或材料进行精确的动态调控，体现了人类对微观世界的认知与操控能力。然而，对纳米粒子的精确动态调控仍然充满挑战。在生物体中，生物分子机器具有极为精巧的结构并受到严密的时空调控，而这些复杂结构的时空排布信息是由一维的DNA分子序列所编码而成的。受此启发，该团队提出利用多嵌段的单链DNA序列来编码金纳米粒子表面的价键信息，进而构建具有离散价态与正交价键的“纳米”原子。以这些“纳米”原子为基元，可以通过正交的DNA配对自组装形成具有精确颗粒数和各向异性的“纳米”分子。而这些“纳米”分子在合成后仍然具备可重排的能力。因而，利用DNA链取代反应，可以引发动态的“成键”与“断键”，模拟加成、分解、置换和复分解等多种基本化学反应。他们还基于这一体系设计了单颗粒逻辑门，并集成为“投票机”逻辑电路。当多数输入信号为正（“赞成票过半”）时，“纳米”分子解离；当只有少数信号为正时，“纳米”分子不发生解离反应。这些精确组装而具有动态响应能力的纳米“原子”和“分子”有望应用于生物智能诊断与治疗等领域。 

图1，利用单链DNA编程的多种“纳米分子” 

图2，基于纳米分子动态反应的投票机逻辑电路