近日，上海交通大学变革性分子前沿科学中心姚广保副教授、化学化工学院李明强助理研究员在国际知名学术期刊Angew. Chem. Int. Ed.上联合发表题为“Programming One-Dimensional Open-Channel Superlattices with Edge-Bonding of Meta-DNA”的研究论文。该研究开发了一种构建一维开通道超晶格的通用策略，通过对元DNA表面稀疏分布的DNA键的刚性和长度进行编程，成功实现了几何和拓扑结构多样化的三角形元DNA和六边形元DNA一维开通道超晶格的长程有序组装。此外，研究表明金涂层的三角形元DNA超晶格的电催化活性比未组装的金涂层单体提高了约3.3倍。这项工作拓宽了通过DNA纳米技术组装多孔晶体的设计框架，并突出了它们在催化方面的潜在应用。

一维多孔纳米材料由于其独特的形态和通道结构表现出优异的性能。通过控制它们的通道几何（通道大小、形状）和拓扑结构（连通性），可以精确调节分子的吸收和运输，从而提高它们在催化、分离和光学应用中的性能。虽然目前可以通过蚀刻法、模板法、化学沉积和生物合成等技术合成一维多孔纳米材料，但这些方法制备的材料通常存在孔径小（通常小于10 nm），孔形状有限，孔隙率不规则等问题。这些限制阻碍了客体材料的在其内部的装载能力，降低了质量和离子运输效率。因此，开发具有可定制通道几何和拓扑结构的一维多孔晶体，特别是在介孔到大孔范围内，仍然至关重要。

结构DNA纳米技术代表了最强大和最通用的分子组装方法之一，可以用来精确地制造从纳米到宏观尺度具有特定性质的结构。其中，元DNA作为一种亚微米级自折叠和自连接的构建块，能够实现跨尺度结构形态多样性和孔径可编程控制，使其成为构建在介孔到大孔范围内具有几何和拓扑多样性的一维多孔晶体的极具潜力的基元。与胶体晶体工程中密修饰的面对面相互作用不同，元DNA依赖于稀疏修饰（相邻构建模块之间少于25条链）的边到边相互作用（边键合），其中沿框架边缘有限数量的DNA链主导了组装机制和行为。

基于此，本研究通过编程元DNA上稀疏分布的DNA键的刚性和长度，开发了一种用于实现一维开通道超晶格的长程有序组装的通用策略。元DNA的一维组装可以看作是DNA键沿单一方向的有效杂交。通过调节DNA键的刚性，可以控制DNA键的杂交效率，从而增强组装结构的稳定性和有序性。此外，通过调整DNA键的长度，可以控制DNA键的杂交沿特定方向进行。

图一：DNA稀疏修饰的元DNA通过边键合组装一维开通道超晶格的示意图

图1简要地说明了通过DNA稀疏修饰的元DNA的边键合构建一维开通道超晶格的设计和组装原理。一维开通道超晶格遵循两步组装方案：首先，进行无锚定链的元DNA的合成，然后引入连接子以驱动元DNA边键合组装。设计了两种类型的连接子：一种是由具有自互补粘性末端的锚定链组成的柔性连接子；另一种是刚性连接子，由锚定链和固定链组成，锚定链与固定链部分互补，并带有粘性末端。

元DNA之间的相互作用由连接子的刚性和长度决定的。柔性连接子缺乏刚性区域来支撑结构，容易发生随机卷曲，导致杂交效率降低，元DNA之间连接松散。引入适当长度的刚性区域可以有效地稳定连接子，使元DNA沿单一方向充分杂交，从而促进长程有序的一维组装。然而，当刚性区域过长时，连接子的摆动范围增加，阻碍了元DNA的定向组装。

图二：使用不同刚性和长度的DNA键组装三角形元DNA二聚体

我们首先通过组装三角形元DNA二聚体分析了具有不同刚性和长度的连接子的杂交效率（图2）。设计了8种不同的体系来调节三角形元DNA二聚体的组装过程。体系I-II采用柔性连接子，柔性区域的长度分别为18 nt和0 nt （F18和F0）。体系III-VIII使用刚性连接子，其中刚性区域的长度范围为13至48 nt （R13-R48）。结果表明体系I中三角形元DNA二聚体之间存在角度偏转，无法精确对齐，组装效率较低，约为40%。这表明体系I中连接子的杂交稳定性和效率较差。随着体系II中柔性区域长度的减少，三角形元DNA二聚体之间的结合紧密，组装效率超过90%。当引入双链刚性区域时，体系III-VI中的三角形元DNA二聚体实现了精确的边对齐，组装效率约为70%。

通过分子动力学模拟分析了体系I和体系IV中元DNA二聚体中连接子的杂交情况。体系I中二聚体的质心结构模型显示三角形元DNA并没有精确对齐，其中部分连接子处于未杂交状态，表现出随机卷曲行为。同时，体系I中的连接子长度随时间的分布是极不均匀的。这种变异是由于连接子的高度柔性，导致不均匀的随机卷曲行为和有限的粘性末端可及性，大大降低了连接子的杂交稳定性和效率。相比之下，体系IV中二聚体的质心结构模型显示出精确的边对齐，所有连接子都处于杂交状态且连接子长度随时间分布比较均匀。这是由于引入了刚性区域，有效地抑制了高柔性连接子的随机卷曲，允许元DNA之间充分接触和结合，最终形成稳定的二聚体结构。这表明调节连接子的刚性可以有效地提高杂交效率，这对于元DNA超晶格的稳定组装至关重要。此外，体系VII-VIII中二聚体之间发生了严重的角度偏转，导致聚集。我们推测，这可能是由于刚性区域长度的增长导致连接子的摆动范围增加，从而使其难以保持一维组装的方向性。

图三：使用不同刚性和长度的DNA键组装三角形元DNA一维开通道超晶格

随后，我们进行了三角形元DNA一维单通道超晶格的组装（图3）。不同体系相应的三角形元DNA一维组装模式发生了显著变化。体系I呈现无序状态，组装长度较短，单体之间存在严重的扭曲，并存在聚集体。随着柔性区域长度的减小，体系II实现了有序组装，组装长度较短，同时存在一些明显的聚集体。当刚性区长度为R13时，体系III能够形成有序的开通道超晶格，但是存在大量的自由单体。随着刚性区长度的增加，体系IV和体系V形成了平均长度分别为3.7±1.2和3.0±0.9 μm长程有序的一维开通道超晶格。这些超晶格表现出有序的通道结构，高组装效率，没有明显的聚集体。体系IV中一维单通道超晶格形成了三维开放的大孔，孔隙率约为94.2%。进一步增加刚性区域长度，体系VI形成了严重的聚集体。

通过分子动力学模拟来分析三角形元DNA表面连接子的热力学波动。在体系I中，连接子的热力学波动较小且不均匀。这可能是由于高柔性连接子的随机卷曲，导致一些粘性末端在结构内折叠，无法有效暴露。在体系IV中，刚性区域的引入使得粘性末端有效暴露，增加了热力学波动。随着刚性区长度的继续增加，热力学波动也随之增加，导致连接子的摆动幅度增加。由于单链粘性末端区域远离三角形元DNA核心，这些波动会被进一步放大，显著降低了粘性末端杂交的可及性。当热力学波动达到一定程度时，三角形元DNA表面的DNA键会失去方向性，形成随机聚集体。这些研究表明，元DNA可以通过编程稀疏分布的DNA键的刚性和长度来实现一维开通道超晶格的长程有序组装。

图四：调整一维开通道超晶格的通道几何和拓扑结构

为了验证该策略的通用性，我们使用体系IV的连接子设计组装了具有不同通道几何和拓扑结构的介孔六边形元DNA 1D多通道超晶格（图4）。结果表明六边形元DNA一维多通道超晶格实现了高质量的组装。该超晶格长程有序、具有很好的分散性，且不存在明显的聚集体，平均长度为3.6±1.0 μm。该超晶格形成三维开放介孔，孔隙率约为87.5%。通过大孔三角形元DNA和介孔六边形元DNA一维开通道超晶格的成功组装，有力地支持了这一策略的通用性。

图五：评估金涂层三角形超晶格的电催化活性

一维金属纳米材料，特别是多孔结构，由于其高表面积、优异的导电性、优异的催化性能和光学性能，在催化、传感、能量转换和存储等方面具有重要的应用前景。为了探索这些可能性，我们在三角形元DNA和三角形元DNA超晶格表面原位长了一层超薄金层，并评估了它们的电催化活性（图5）。结果表明，金涂层三角形超晶格的催化过氧化氢的能力比金涂层三角形元DNA单体高约3.3倍。金涂层三角形超晶格的带隙更窄，表明光生载流子的能量越高，迁移能力越强，其氧化还原反应能力越强。因此，与金涂层的三角形元DNA单体相比，金涂层的三角形超晶格具有更好的电催化活性。

该策略为构建几何和拓扑多样化的一维多孔晶体提供了一个通用框架。通过对元DNA上的稀疏分布的DNA键的刚性和长度进行编程，可以精确地实现一维开通道超晶格的长程有序组装。这些超晶格的通道几何和拓扑结构可以通过选择不同的元DNA进行调节，从而创建定义良好且可预测的结构。虽然所描述的结构是由元DNA组成的，但该策略有望适用于其他DNA稀疏修饰的构建块，扩大开放通道超晶格的可访问几何和拓扑多样性。展望未来，该平台提供了在开放通道中整合功能材料的潜力，这些特性可以促进催化、电子、能量转换和存储方面的应用。

研究团队简介

该论文第一作者为上海交通大学博士生徐琴，通讯作者为上海交通大学变革性分子前沿科学中心长聘教轨副教授姚广保、化学化工学院助理研究员李明强。论文作者还包括西北大学欧阳湘元教授、上海交通大学左小磊研究员、刘小果研究员、樊春海院士。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202504223