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前言

功能性DNA-聚合物偶联物是一种具有特定生物活性和化学反应性的分子复合物，研究发现，DNA分子可以通过DNA序列控制聚合物的结构和功能，改变DNA的稳定性和反应性质，共价引入目标基序的类别与DNA结构的修饰或非共价相互作用，可以进行更大范围的化学反应作为脱保护，副反应不再受到限制。

材料与方法

天然的DNA结构化学惰性相当高，因为它缺乏足够的官能团来维持其功能区域，而且在很大程度上需要保留碱基。

随着DNA纳米技术的不断发展，现在可以通过在3’/5’端引入手柄（一般是非天然核苷酸或通过非常规手段如静电细胞膜插层）来实现功能化并结合反应性。

要在DNA上进行共价处理的合并，取决于需要修饰的位置定位，可以在DNA合成期间或结束时进行反应基团的附着。

在用于合成寡脱氧核苷酸（ODN）的固相方法中，通常采用亚磷酰胺化学，坚实的支持物质被公认为是受控孔玻璃（CPG）珠，这些CPG微珠不仅提供高表面积，还提供多种附件，并对化学环境具有高稳定性。

聚苯乙烯（PS）微珠也可用于固相合成法，提供纳米摩尔级的高效合成，固相合成法通过循环偶联、封盖、添加每个核苷酸来完成，在循环完成后，保护ODN会被解除，并使用氨溶液从CPG中切割。

亚磷酰胺化学提供了一种合成任何序列的方法，可以合成长度多达约200个碱基的DNA，对于DNA-聚合物偶联物，ODN通常短于30个碱基，因此，此方法确实不会对可达到的长度和序列构成限制。

重要的是，亚磷酰胺化学不仅限于天然核苷酸，内部修改可以通过修改来合并亚磷酰胺以及5′端的改性，这ODN的化学合成从3’到5’进行。

3′端修改通过功能化进行集成ODN链可以从中增长的支持，改性亚磷酰胺与所述方法一起开发，产生不同的核碱基，糖和磷酸盐骨架部分。

虽然修改可以在多个位置集成核苷酸，功能手柄在3’和5’端与用于生产的DNA-聚合物合成最相关的二嵌段共聚物，5′-末端官能化亚磷酰胺包括胺等反应性手柄，9羧酸10炔烃，11和硫醇。

有几个保护基团可用于合并这些功能组，包括二甲氧基三苯甲基（DMT）用于胺和2-氯三苯甲基用于羧酸，几个部分可以在没有保护的情况下合并。

炔烃部分，如含铜的过滤炔烃二苯并环辛炔（DBCO），包含在5′端，并且标准未过滤的炔基团可以包含在3′-末端，可以通过在固相合成中使用亚磷酰胺的功能手柄，在烷基链和乙二醇单元的形式中连接疏水和亲水接头。

以上提到的DNA组成包含功能元件，可提供一条途径将合成的DNA与预成型聚合物偶联起来，在需要直接从DNA聚合的地方，必须在聚合之前连接聚合引发剂、试剂或单体，原子转移自由基聚合（ATRP）引发剂亚磷酰胺无法在市场上获得。

有几种方法可以将引发剂部分附加到ODN上，通过固相连接并在脱保护和裂解前进行相合成。

这种方法使用两步反应将引发基团与亚磷酰胺偶联部分连接起来，然后通过解离和氨解除保护，此方法可用于自动路由合成具有ATRP引发剂的ODN。

在这种情况下，已经合成了两种修饰的核苷亚磷酰胺以及3′-官能化柱，证明了多功能性和选择降冰片烯部分位置的能力。

由于构象和来自整体DNA结构的电荷排斥，修饰碱基对区域可能不是最佳的动力学，为了确保官能团处于外部（即突出主要或小凹槽）在DNA结构上，胞嘧啶上的5位和胸苷上的4位-O位被用于修饰。

到目前为止，记录的二次修改的天然DNA承载共价偶联的功能手柄的DNA需要与预合成的聚合物结合起来，如果需要从DNA上进行聚合，则需要锚定聚合引发剂或试剂在DNA结构上。

通过亚磷酰胺化学实现了含有ATRP引发剂的ODN的合成，但相比之下，RAFT试剂不能在脱保护和解理步骤之前与DNA偶联。

修改后的DNA无法在固体支撑物上进行，必须在溶液中进行解理，这种合成方法验证了含有NHS或五氟苯酚（PFP）活化筏剂的胺DNA，例如丙酸（BTPA）和4-氰基-4-（苯基硫代甲酰硫基）戊酸（CPADB）。

这些反应在DMF–PBS1：1V/V溶液中进行，展示了高效的产量，并且能够定位RAFT代理在ODN上，证明了能够合成具有多种官能团的ODN，可用于直接与聚合物进行RAFT聚合偶联或生长，并且有助于DNA-聚合物功能的广泛应用和发展。

随着点击化学和生物偶联的不断扩大，ODN功能化的可能性可以用合成的大分子来永久膨胀。

每个共轭都需要一个处理函数，即固相亚磷酰胺合成方法，通过DNA聚合酶延伸与修饰的脱氧核苷酸结合三磷酸盐（dNTP），也可以使用化学手柄进行功能化。

改性的dNTP的使用开辟了另一种选择，可以通过酶掺入非天然官能团来合成DNA，虽然这种方法不能用于DNA-聚合物的合成，但其高效掺入并建立了子序列耦合，展示了替代共轭的机会，并具有潜在的提高产量和多样性的方法。

共价化学成分可用于非共价DNA反应性基团的功能化，利用DNA结构元件提供了一种替代方案来实现DNA的功能化。

天然的双链DNA分子由于许多非共价相互作用而形成高度充电的分子，可以用于非共价络合，而单链ssDNA因为形成双链体氢键和范德华力、π-π堆积和疏水效应等相互作用，除了熵有利于水分子的紊乱。

这些相互作用存在于小分子非共价动态结合的机会，如大凹槽和小槽、碱基对之间和磷酸盐骨干网。

这些结合模式存在非共价的潜力来锚定功能组以及复杂的全聚合物，与前面所描述的共价转换不同，非共价络合物是一种高度动态的组装，不需要对内在DNA组成进行化学修饰。

通过利用静电相互作用的能力，可以将带电骨架与DNA结合，从而产生阳离子分子的简单方法。

这种方法可以利用DNA上的空间位阻来容纳阴离子基团，在自然界中，带电的主干发挥着许多重要的作用，例如指导蛋白质和配体到特定位置，通过DNA的超分子组装与正带电组蛋白。

这些内在的相互作用促使了将磷酸骨架用于DNA-聚合物偶联物合成的发展，为了实现这种相互作用，常常需要使用离子-离子的排斥机制来减少离子的排斥，特别是在使用第1组和第2组反离子稳定时。

因此，在与聚合物的相互作用中，离子置换必须发生，为了克服巨大的电荷排斥力，与其他生物分子（如蛋白质）相比通常是中性或具有低电荷计数的，必须进行离子置换。

研究表明，通过提供所需的热能，使两个DNA分子靠近，可以减少电子排斥力，增加100倍以上，从而增加了反离子的存在。

由于DNA相互作用的动态特性，研究离子球以理解精确的相互作用是困难的，泊松-玻尔兹曼方程可用于描述带电分子和溶液中的反离子之间的关系，以提供关于离子-离子相互作用的信息。

整体物理特性，如zeta电位和形态学，也可以分析以预测聚阳离子聚合物与DNA的络合相互作用。

添加抗衡离子，可以探测离子强度对聚合物相互作用的影响，向DNA-多阳离子配合物中添加不同的阴离子和阳离子单元，揭示了第2族离子Ca^2+作为最强的解离者，其次是Mg^2+。

通过对相互作用的深入研究，我们可以揭示精确的相互作用，并将其用于未来的治疗设计，凹槽粘结剂可以实现大凹槽或小凹槽的结合，这些相互作用包括氢键、范德华力和静电作用。

每个碱基对提供不同的环境，具有不同的静电效应、凹槽宽度和深度，从而实现选择性结合，例如，小分子倾向于在AT丰富的区域结合，通过更深的口袋提供的力量。

此外，小凹槽吸引带有小单体单元的小分子或聚合物链，如聚吡咯和聚酰胺，可以是阳离子或中性的。

由于存在许多可能的相互作用机制，绑定是通过多个机制实现的，包括与糖的氢键相互作用，嘌呤和嘧啶的特定键位以及碱基配对部分。

形状选择性结合也受到分子曲率和天然DNA结构的影响，所有这些参数共同导致高度的靶向特异性，较大的分子，如蛋白质和碳水化合物，识别并结合在大凹槽中。

虽然主凹槽粘结剂在整体焓上具有更强的平台相互作用，但其天然例子较少，氨基糖苷类是非芳香族分子，由于其尺寸的原因，优先与B-DNA的主凹槽结合并形成氢键。

尽管最初的相互作用可能涉及磷酸盐骨架，但研究表明，添加氨基糖苷类二聚体会与DNA的主凹槽结合，暗示氨基糖苷类结构是主要凹槽结合的。

蛋白质与DNA的结合是通过非共价H键和盐桥实现的，允许可逆的结合和释放，例如在转录和基因调控中发挥作用，碱基和核糖上的功能团提供了多个H键供体和受体位点。

结论

这些动态DNA纳米结构主要由DNA调控产生，包括温度响应、pH响应和光响应，通过碱基配对和可逆转型，DNA可以用作介导编程组装体的动态DNA-聚合物超分子纳米结构。

温度响应聚合物（如pNIPAM和PPO）以及在聚合物中添加pH响应接头或光切割接头可以为系统带来刺激响应的动态特性。

这些功能主要体现在基因和小分子货物的传递中，通过互补碱基配对，单链DNA（ssDNA）沿着形成的带状边缘排列，并可装载DNA修饰的金纳米颗粒作为模型货物。

参考文献

【1】马德森·哥特尔夫，《DNA纳米技术的化学》

【2】泰尔瑟·克鲁克香克，《有共价连接分子的DNA低聚物和双链体标签-按热力学比较生物素、荧光素和芘标签和光谱测量》

【3】Jaschke ，《DNA的合成后修饰通过逆电子需求狄尔斯-桤木反应》

【4】Rungsardthong ，《聚合物电离对与非病毒基因递送系统中的DNA》