Chem. Soc. Rev.：可切换和动态G-四链体及其应用

核酸分子的化学和动态重构特性为DNA纳米技术领域的发展提供了丰富的结构和功能“工具箱”。G-四链体是一种由富含鸟嘌呤的核酸序列在一些特定阳离子（如K⁺和Na⁺）的稳定下通过Hoogsteen氢键连接形成的多个G-四分体并进一步堆积而成的独特的二级结构，代表了一类重要的动态可重构的核酸纳米结构。G-四链体能够通过链内或链间堆叠形成平行、反平行和杂合等多种不同的拓扑结构。G-四链体的多种功能和性质在许多科学如生物学、化学、纳米技术和材料科学具有广泛的科学兴趣和应用。例如，在生物学中，G-四链体参与多种细胞途径。G-四链体结构在催化和光催化领域具有重要的作用。此外，G-四链体在癌症等多种疾病的治疗和药物开发方面具有重要的应用前景。

近日，以色列耶路撒冷希伯来大学Itamar Willner院士等人在国际学术期刊Chemical Society Reviews 上发表了题为“Switchable and dynamic G-quadruplexes and their applications”的长篇综述论文，系统地概述了DNA G-四链体的动态重构特性及其在不同科学学科中的应用。论文第一作者为耶路撒冷希伯来大学博士后董建桐。

图1. (A) 金属离子稳定的G-四分体结构；(B) G-四链体的多种拓扑结构。

文章讨论了动态G-四链体作为中心功能和结构基序在开发功能性DNA 纳米结构和材料中的关键作用，包括：(1) G-四链体的动态重构指导 DNA 开关和 DNA 机器的设计和发展；(2) G-四链体与酶的整合产生了超分子组装体，其表现出由动态 G-四链体拓扑结构引导的可转换催化功能；(3) G-四链体作为重要的构建模块操纵动态网络，模拟复杂生物动态电路的瞬态耗散网络；(4) G-四链体指导可编程 DNA 纳米结构（如DNA折纸）中的组装，将其动态和机械特征引入到这些静态框架；(5) 除了在溶液中的动态操作之外，G-四链体在电极或纳米粒子等表面上的组装为设计各种电化学和光电化学装置提供了多种手段；(6) 通过G-四链体的组装和拆卸来切换纳米粒子的动态聚集和解聚，从而产生可切换光学特性的纳米组件；(7) 利用G-四链体对水凝胶功能化，产生具有形状记忆、自愈的智能刺激响应材料；(8) G-四链体对纳米粒子（如 SiO₂ 纳米粒子或金属有机框架纳米粒子MOFs）功能化修饰，制备可控药物递送和治疗的纳米载体，在纳米医学领域具有重要的应用价值。

图2. 可切换和动态G-四链体及其在不同功能性DNA 纳米结构和材料中的应用。

最后，文章指出了动态G-四链体在跨学科领域的未来应用前景及其面临的重要挑战：例如利用G-四链体/蛋白质复合物开发新的治疗靶点；利用G-四链体开发智能门控载药系统；发展新的 G-四链体形成和分离策略，构建新的动态 G-四链体系统；利用多堆叠的G-四链体制备导电纳米线，未来设计动态可切换的电子、光电化学和人工光合作用的设备；将基于 G-四链体的核酸动态网络整合到原始细胞（Protocell）中，模拟天然细胞的结构和某些基本特性，设计原始细胞的功能等。

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Switchable and dynamic G-quadruplexes and their applications

Jiantong Dong, Michael P. O’Hagan, and Itamar Willner*

Chem. Soc. Rev., 2022, DOI: 10.1039/D2CS00317A

第一作者简介

董建桐博士，耶路撒冷希伯来大学博士后，研究方向为纳米材料和DNA纳米技术的发展及应用。2021年在北京大学获得博士学位，师从赵美萍教授。2017年至2019年在美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）做联合培养博士研究生，师从曾宪荣教授。近年来以第一作者在Chem. Soc. Rev.、ACS Nano、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Biosens. Bioelectron.等SCI期刊上发表多篇学术论文。

通讯作者简介

Itamar Willner教授，耶路撒冷希伯来大学教授，同时也是中国科学院外籍院士、以色列科学院院士、英国皇家化学学会院士、德国国家科学院院士。研究领域涵盖超分子化学、纳米生物技术、分子自组装、分子和生物分子机器、传感器和生物传感器、刺激响应材料、光催化和纳米酶催化等多个领域。Willner教授至今已在Science, Nature, Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Catal., Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., JACS等国际著名学术期刊发表论文860余篇和40余项专利。Willner教授同时也是JACS, Langmuir, Nano Letters, ACS Nano, Small等期刊编辑/顾问委员会的成员，目前担任Supramolecular Materials期刊顾问。

https://www.x-mol.com/university/faculty/49904