DNA纳米技术包括以DNA动态链置换反应为研究对象的动态纳米技术和以形成不同DNA结构为目的的静态纳米技术。利用DNA纳米技术,实现对DNA动态和静态纳米器件构建的过程称之为DNA纳米工程。DNA纳米工程并不强调DNA分子作为遗传信息载体的原有功能,而是将DNA视为一种分子材料,通过合理的序列设计使DNA链按照既定的方式杂交或发生链置换,最终实现信号的传递或者结构的生成。DNA严格的沃森-克里克碱基互补配对规则,序列的可设计性以及功能基团的可定制性为构建一系列基于DNA动态或者静态纳米技术的纳米反应网络或者纳米器件奠定了基础。无论是动态还是静态的DNA纳米技术,在过去的几年里都取得了长足的发展。其中,基于DNA动态杂交和链置换反应的DNA动态纳米技术,经过上个世纪最后几十年对DNA分子杂交热力学性质的摸索和沉淀,终于在本世纪初期开始崭露头角。随着链杂交和链置换动力学研究的逐步深入,人们基于DNA动态纳米技术开发出了DNA逻辑门,DNA分子马达,DNA步行者,DNA逻辑计算网络等诸多功能各异的DNA反应网络。而在DNA静态纳米技术领域,人们在简单DNA双链杂交的基础上,构建出许多复杂精致的微观或者宏观材料,例如DNA折纸结构,DNA水凝胶,DNA胶束结构,DNA树枝状结构,以及DNA纳米花等等。虽然DNA纳米工程不强调DNA的自然功能,而是更看重DNA作为结构单元的潜力,但DNA作为一类生物分子的本质并没有改变。其良好的生物相容性以及易被设计和改造的分子结构使DNA分子在生物化学应用领域有着得天独厚的优势。本论文1)致力于使DNA动态逻辑回路脱离试管环境而能够真正应用于仿生或者生物体系,2)着眼于当前DNA静态自组装结构在生物应用中存在的一些问题并加以改善,进一步挖掘DNA动态逻辑回路与静态结构自组装在生物化学应用领域的可能性,其具体内容如下:1)第2章:本章报道了一种无需酶催化且不含DNA发夹结构的有效核酸放大策略,称为熵驱动信标。与之前报道的基于DNA杂交和链置换的放大策略相比,熵驱动信标的驱动力是系统熵值的增加,而非新碱基对形成所释放的自由能。熵驱动信标表现出很高的检测灵敏度,在缓冲液中的检测下限可达5p M,在细胞匀浆中的检测下限可达50p M。熵驱动信标的其他优势包括零检测背景,优越的热稳定性以及对复杂环境的抗干扰能力。另外,基于单对碱基和相邻两对碱基链呼吸速率的巨大差异,熵驱动信标对包括碱基错配,插入和缺失在内的碱基突变表现出极高的识别能力,因此可以做为一种有效的核酸检测方法。2)第3章:本章报道了一种以DNA反应网络作为计算核心的人工细胞。当人工细胞遭遇模拟病原体侵染后,内建的DNA反应网络会执行一种精简的模拟免疫反应。DNA反应网络就像一个生物算法,它可以针对输入的信号分子发生响应;人工细胞就像一种微米尺寸的机器人,它的功能受内建的DNA反应网络驱动。DNA的程序化设计能力和生物学性质,使由DNA反应网络驱动的人工细胞可以将逻辑运算和生物识别有机地结合在一起,因此生物分子可以直接介入到分子运算的过程当中。本章所报道的以DNA反应网络驱动人工细胞的策略,对构建可用于未来生物学研究的人工细胞具有很好的启发作用。3)第4章:在本章的工作中,我们利用DNA动态逻辑回路实现了对细胞膜上分子碰撞的检测。细胞通过细胞膜分子与膜外环境作用。这些膜相关作用或者说分子碰撞的异常往往意味着疾病的发生。超分辨显微术虽然可以探测到膜分子的碰撞,却既无法对整个膜进行成像,也无法提供膜分子之间动态相互作用的相关信息。本章报道的这种新型DNA逻辑回路探针可以将瞬时的膜分子碰撞事件转化为可被读取的积累荧光信号。这种探针的工作模式模拟了马达蛋白,通过立足点介导的链置换反应从一个锚点移动到另一个锚点。利用这个探针,我们成功的在流式细胞仪和荧光显微镜的辅助下检测到了膜脂区域迅速的分子碰撞事件。我们的结果也表明相同膜脂区域内的脂分子相互碰撞的倾向性更大。4)第5章:本章基于DNA静态结构自组装理论,报道了一种可用于运载小干扰RNA并实现基因沉默的催化自组装DNA树枝状纳米结构。这种一步法制备的DNA树枝状复合物可以很方便的按需制备,并被证明拥有比商业化阳离子脂质体更好的沉默效率和更低的细胞毒性。5)第6章:本章报道了一种以DNA胶束为模板的球形金属还原法,实现了对DNA胶束的原位交联。本方法通过将一系列特异性的模板区域整合进二酰脂DNA单体分子中,成功制备了含有中空或者实心内核的铜,银和金交联的DNA胶束,操作简单且极具通用性。通过一系列表征和软件模拟,我们首次实现了对DNA胶束精确的结构论证。金属交联的DNA胶束表现出显著的优势,包括金属内核和DNA配体的一步法生成,尺寸的可调控性,在盐溶液中的高单分散性,制备时DNA配体的极高利用率,温和的合成环境以及更少的耗时和更高的细胞内在化效率。基于这种球形模板合成法,我们进一步制备了用于细胞内目标物成像的金属交联DNA胶束探针。另外,我们还将这种金属交联的策略扩展到基于双链DNA胶束上,表明该法具有很好的普适性。