新工具揭示了 DNA 纳米结构如何与细胞膜相互作用

为了向工程化人工细胞膜迈出一步，东京科学研究所 （Science Tokyo） 的研究人员使用具有能量耗散监测功能的石英晶体微天平 （QCM-D） 来研究 DNA 纳米孔如何与脂质双层相互作用。与传统的光学方法不同，QCM-D 可实时跟踪质量和粘度的变化，为 DNA-脂质相互作用提供独特的机械见解。这种方法为设计基于 DNA 的膜技术铺平了道路，这些技术可以改变细胞脂质膜的功能。

DNA 纳米孔-脂质膜相互作用的实时可视化

形成细胞外层的脂质膜可以被改造成影响细胞功能。例如，调整膜的通透性可以改善药物输送。在膜表面添加信号分子也有助于将药物引导至特定组织，从而提高治疗精度。DNA 纳米结构正在成为实现此目的的有用工具。通过连接胆固醇等疏水基团，将它们锚定在脂质膜的疏水核心中，科学家们已经能够改变膜的特性，例如增加其强度或改变其形状。

日本东京科学研究所 （Science Tokyo） 的研究人员在使用具有能量耗散监测功能的石英晶体微天平 （QCM-D） 表征 DNA-脂质相互作用方面取得了重大进展。该技术测量吸附在表面上的分子的质量和粘弹性的变化。该研究由东京理工学院材料与化学技术学院材料科学与工程系材料科学与工程系的 Tomohiro Hayashi 副教授、博士生 Zugui Peng 和 Tohru Yagi 教授领导。

发表于 2025 年 4 月 15 日的 Nanoscale 杂志第 17 卷和第 18 期，它提供了一种新的方法来监测 DNA 纳米结构如何附着并与脂质膜相互作用。它还揭示了膜和 DNA 层的机械变化，例如刚度或流动性的变化。仅通过传统的光学方法很难获得这些见解。

“这项研究是首次将 QCM-D 应用于探索 DNA 纳米结构如何与脂质双层相互作用。通过揭示光学方法无法获得的见解，QCM-D 被证明是分析各种 DNA 纳米结构的强大技术，“Hayashi 博士说。

研究人员研究了将六螺旋束 DNA 纳米孔 （DNP） 与一种胆固醇和 （DNP-1C） 三种胆固醇标签 （DNP-3C） 掺入受支撑的脂质双层 （SLB） 中。为了模拟类似于巨型单层囊泡 （GUV） 中的低曲率膜，他们使用了支撑在氧化硅 （SiO₂） 和聚乙二醇 （PEG） 涂层表面上的脂质双层。

将 DNP 引入底物后，研究人员观察到 DNP-1C 和 DNP-3C 都在几秒钟内迅速附着在膜上，但它们的长期行为差异很大。DNP-1C 在膜表面形成一层柔软、稳定的层，随着时间的推移保持不变，而 DNP-3C 随着其表面浓度的增加逐渐聚集成更致密、更坚硬的结构。这种聚集伴随着缓慢、持续的整合到脂质双层中。

通过测量吸附层的粘度，该团队发现 DNP-3C 继续整合到脂质双层中超过 10 小时。研究人员提出，栓系 DNP 的未插入胆固醇锚可能与自由漂浮的 DNP 相互作用，导致聚集增加并持续整合到脂质层中。

他们还发现，支撑底物强烈影响相互作用动力学。与 SLB 在裸露的 SiO₂ 上相比，PEG 支持的 SLB 有助于更快地掺入 DNP-3C，其中带负电荷的表面和更靠近膜会抑制 DNP 整合。

这些发现对 DNA 纳米结构的设计和应用具有重要意义。“我们的研究对于理解膜相互作用的 DNA 纳米结构至关重要。我们相信它将加速 DNA 纳米技术研究，从而开发更有效的膜相互作用结构，“Hayashi 博士指出。

随着 QCM-D 提供新的见解，科学家们现在离为人造细胞和分子传感器等开创性的生物医学应用设计 DNA 纳米结构又近了一步。

参考

作者：

Zugui Peng¹， Glenn Villena Latag²， Hiroyuki Tahara²， Tohru Yagi¹ 和 Tomohiro Hayashi²*

标题：

使用 QCM-D 揭示 DNA 纳米孔和脂质双层之间相互作用的时间进程：胆固醇锚和双层支撑底物的作用

杂志：

纳米级

DOI：

10.1039/D5NR01299F

背景：

¹日本东京理科
学院工学院机械工程系 ²日本东京理科研究所材料与
化学技术学院材料科学与工程系