新工具揭示了DNA纳米结构如何与细胞膜相互作用

形成细胞外层的脂质膜可以被改造以影响细胞功能。例如，调节膜的渗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到特定组织，提高治疗精度。

DNA纳米结构正成为实现这一目的的有用工具。通过将胆固醇等疏水基团固定在脂质膜的疏水核心，科学家们已经能够改变膜的性质，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（QCM-D）的石英晶体微天平表征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。

该研究由东京科学院材料与化学技术学院材料科学与工程系和机械工程系的林智博副教授、博士生彭祖贵和八木教授领导。

该研究于2025年4月15日发表在《纳米尺度》杂志上，为监测DNA纳米结构如何附着和与脂质膜相互作用提供了一种新方法。它还揭示了膜和DNA层的机械变化，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企及的见解，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（DNPs）与一种胆固醇和（DNP-1C）三种胆固醇标签（DNP-3C）掺入支持的脂质双层（SLBs）中。为了模拟类似于巨型单层囊泡（GUV）中发现的低曲率膜，他们使用了支撑在二氧化硅（SiO2）和聚乙二醇（PEG）涂层表面上的脂质双层。

将DNPs引入底物后，研究人员观察到DNP-1C和DNP-3C在几秒钟内迅速附着在膜上，但它们的长期行为存在显著差异。DNP-1C在膜表面形成了一个柔软、稳定的层，随着时间的推移保持不变，而DNP-3C随着表面浓度的增加逐渐聚集成更致密、更刚性的结构。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，研究小组发现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。与裸SiO2上的SLBs相比，PEG支持的SLBs促进了DNP-3C的更快掺入，裸SiO2上带负电荷的表面和更靠近膜的位置抑制了DNP的整合。

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

随着QCM-D提供新的见解，科学家们现在离为人工细胞和分子传感器等突破性生物医学应用设计DNA纳米结构又近了一步。p