具有能量耗散特性的动态DNA网络的构建和应用
人工耗散网络是材料技术和合成生物学发展的前沿仿生系统。本课题展示了一种利用动态DNA纳米技术和酶催化反应建立耗散性动态DNA网络的人工耗散系统，该系统能够自主运行，利用燃料分子提供的能量驱动耗散网络的动态行为。由于系统的运行受到分子浓度的影响，我们开发了一种耗散网络化学动力学预测模型，帮助我们理解网络中各个分子之间的相互作用，探究其调控机制。通过模拟网络中各组分对整体反应动力学的影响，实现对体系设计和实验条件的优化。我们还展示了基于ExoⅢ,DNA分子计时器和多种燃料分子的三种耗散网络化学动力学模型，并通过模拟探究了体系中各种因素对反应的影响以及体系自主运行的验证。 特别是，我们详细展示了基于多种燃料分子的耗散性动态DNA网络,其自主运行依赖于聚合酶延伸、磷酸激酶化和外切酶消化等酶催化反应过程。ssDNA,dNTP,ATP作为燃料分子为建立耗散性网络提供能量，激发系统的自主运行。我们的设计为仿生耗散系统提供了新的工具包，同时提供了多个具有不同能级的瞬态和微调耗散动力学，丰富了耗散网络结构。此外，在耗散网络运行过程中，单链DNA会被释放出来，可用于连接下游系统。DNA纳米管作为一种理想的仿生纳米结构，可以更好地模拟生命体中耗散结构的动态行为。因此我们利用此耗散网络的多种燃料分子来调控DNA纳米管的动态组装过程。该网络不仅能增加DNA纳米管寿命，还可以向相反的方向调整纳米管寿命。正是因为基于多种燃料分子的耗散性动态DNA网络具有自重置功能，精确地时间控制以及多燃料协同作用等许多优势，这为深入理解生命体结构，开发仿生材料、推进体外合成生物学提供了新的手段。我们设想其将在响应性材料、软机器人、生物传感器和按需给药等方面发挥广泛的应用。
耗散性动态DNA网络;动态自组装;能量耗散特性;化学动力学模型
北京化工大学
硕士
生物与医药
苏昕;张广华
2023
中文
Q811.7
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）