《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：DNA assisted reassembly of tetraphenylethylene amphiphiles into crystalline 2D nanostructures in aqueous media
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本研究利用四苯乙烯（TPE）两亲体与DNA分子识别，实现了在水相中的自组装与可控重排，形成有序结晶纳米结构。通过调整溶液条件、DNA链长度及热处理，可选择性调控结晶度而不改变整体形态。该策略为DNA纳米技术与仿生材料制备提供了新方法。
安贾利·宾杜·拉梅桑（Anjali Bindu Ramesan）|乔希·约瑟夫（Joshy Joseph）
化学科学与技术部（Chemical Sciences & Technology Division, CSTD），印度科学研究院-国家跨学科科学技术研究所（CSIR-National Institute for Interdisciplinary Science & Technology, CSIR-NIIST），喀拉拉邦蒂鲁瓦南塔普兰（Thiruvananthapuram），695019
摘要
四苯乙烯（TPE）衍生物的两亲性自组装在水性介质中广泛用于构建结构明确的纳米结构。然而，通过分子识别使TPE两亲分子重新组织成有序晶体纳米结构的策略仍然有限。在此，我们展示了如何利用其内在的DNA结合能力，在水性介质中实现适当设计的四苯乙烯两亲分子的分层组装和DNA辅助的重新组装。这些两亲分子的初始自组装形成了纳米带/纳米片，这一过程通过纤维状中间体的侧向关联实现，这一点通过TEM和AFM分析得到了证实。与DNA相互作用后，组装体发生解体，随后由于疏水-亲水平衡的变化和特定的分子相互作用而重新定向组装。光谱和形态学研究强调了DNA在调节超分子结构方面的关键作用，同时保持了整体形态。重要的是，通过调整水环境条件、引入短链或长链双链DNA或进行热退火，可以有选择地调节组装体的结晶度，而不会引发形态转变。这项工作介绍了一种简单而多功能的方法，通过结合两亲性设计和DNA介导的分子识别来生成可调的晶体纳米结构，推动了用于DNA纳米技术和生物启发式纳米制造的柔软响应材料的发展。
引言
自然界通过可逆的非共价相互作用组织复杂结构的能力长期以来一直是理解分层组装的基础。例如，生物系统中依赖于可逆多组分非共价关联的有序超分子组装对许多生物功能至关重要。蛋白质、脂质双层和细胞外基质中的高度有序排列激发了设计水基功能合成系统的努力[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]，对这些水性组装体的研究不断加深了我们对生物组织的理解[8]、[9]、[10]。然而，由于疏水核心的聚集倾向以及水中的强氢键网络，实现对水中有机组装的精确控制仍然具有挑战性。合理的单体设计，特别是使用两亲性结构，提供了一种有效的方法来克服这些挑战，并在水环境中生成稳定、有序的组装[11]、[12]、[13]、[14]。TPE是一种具有光诱导荧光（AIE）活性的分子，被认为是开发有机和水性介质中各种分层组装结构的更好选择。Bhosale及其同事设计了两种通过酰胺键连接的烷基链的TPE衍生物，并在THF/水混合物中形成了类似花朵的超结构[15]。后来，Lee及其同事报道了TPE衍生物在水甲醇溶液中的自组装形成手性二维纳米片[16]。随后，我们的团队利用分子识别策略，实现了由二氨基三嗪衍生的TPE自组装纳米纤维的动态切换，并更好地控制了TPE AIEgens的一维组装形态[17]。
晶体超分子组装特别有趣，因为它们的材料性质可以通过改变系统内固有分子相互作用的外部刺激进行适当调节[18]、[19]、[20]。响应刺激的超分子组装通常会发生形态变化[21]、[22]、[23]，或在H-聚集状态和J-聚集状态之间切换[24]。某些外部因素还可以指导路径依赖的组装过程，生成完全不同的形态[25]、[26]。然而，关于通过分子识别重新组织和形成TPE两亲分子有序晶体结构的报道较少。在这里，我们展示了通过DNA辅助的三种TPE两亲分子的重新组装，从而提高了结晶度，而没有改变初始组装的整体形态。
多个研究小组已经研究了TPE与不同生物分子（如蛋白质、DNA等）的相互作用，以利用TPE的AIE特性进行传感、生物成像和各种其他生物应用[27]、[28]、[29]、[30]。早期，带电的TPE衍生物被广泛推荐用于基于荧光的生物传感应用，因为它们在与生物分析物相互作用时会产生显著的荧光信号变化[31]。Ben-Zhong Tang及其同事利用TPE的AIE特性设计了一种无标记的荧光探针，用于G-四链体的形成和DNA折叠的实时监测[32]。后来，他们引入了一种胸腺嘧啶功能化的TPE衍生物，用于基于AIE特性的富含腺嘌呤的单链DNA的选择性检测[33]。此外，还做出了大量努力，通过将AIEgens整合到多种生物分子支架中来控制和调节AIE特性。例如，Hanner及其同事设计了TPE修饰的互补DNA链，其中分子聚集和发射特性通过DNA杂交进行调节[34]。随后，Lei及其同事利用四足G-四链体和i-基序结构实现了可控的分子组装并调节了荧光强度[35]。Reji及其同事通过DNA-TPE两亲分子的自组装开发了DNA接枝的二维纳米片，利用DNA杂交将金纳米颗粒固定在表面上[36]。
由于DNA固有的结构特性及其可编程性和可调性，DNA辅助的功能材料组装在精确的纳米尺度组织中非常受欢迎[37]、[38]、[39]、[40]、[41]。DNA纳米技术通常使用模板DNA组装或DNA两亲分子[42]、[43]、[44]来实现功能实体的有序组装，这通常需要精心设计的DNA序列和复杂的化学修饰。包含小有机分子[45]、[46]、纳米颗粒[36]、[47]、树状大分子[48]、[49]、聚合物/肽[50]、[51]、[52]、[53]等的DNA纳米结构的组装/解组装过程已在多篇文献中讨论，这些过程主要依赖于DNA杂交。除了这些传统方法，我们还引入了一种简便的非共价策略，通过使用不同的DNA结合基序来生成DNA纳米结构。之前，我们展示了通过沟槽结合和苯胺修饰的富勒烯纳米簇的插层作用，形成了半导体DNA纳米线[54]。同样，我们也报道了通过静电相互作用与DNA磷酸骨架以及富勒烯之间的π-π堆叠，实现了阳离子富勒烯两亲分子的有序组装[55]、[56]、[57]。
在这里，我们展示了通过沟槽结合和部分插层与DNA实现的分层组装的TPE两亲分子的DNA辅助超分子重新组装。通过调整乙醇-水的比例以满足每种分子的溶解度要求，从微摩尔浓度的TPE1和TPE2两亲分子（具有单个和双亲水臂及苯胺基团，见图1）获得了稳定的纳米片状超分子结构。加入DNA后，组装体的疏水-亲水平衡被破坏，触发了TPE1与DNA的疏水相互作用和自发重新组装。尽管重新组装后没有明显的形态变化，但EDAX分析证实DNA被纳入了纳米片中。此外，TPE1/CTDNA杂化的XRD分析和SAED图案表明分子排列更加有序，这与沟槽结合和插层DNA结合驱动的定向组装一致。荧光寿命测量进一步支持了这一观察结果。另一方面，具有两个亲水臂的TPE2随着时间的推移逐渐重新组装，其重新组装过程通过形态学和光谱分析得到了很好的研究。含有四个亲水臂的TPE3在10% DMSO-PBS混合物中形成了稳定的纳米片结构，并通过DNA辅助的重新组装形成了更结晶的纳米片。TPE2和TPE3的DNA结合组装体与热冷却后的相应分子重新组装结构进行了比较，显示出两种组装体的结晶度有显著差异。总体而言，我们证明了DNA相互作用可以驱动四苯乙烯两亲分子的超分子重新组装成更结晶的结构，与所有三种TPE两亲分子最初的较无序组装不同，同时保持了它们的整体纳米片形态。
材料与方法
所有用于合成和研究的试剂和溶剂均从Sigma Aldrich、TCI和Spectrochem等化学供应商处购买。TPE两亲分子TPE1-3是通过多步合成程序制备的，详细信息见支持文件。CTDNA和20聚体单链DNA从Sigma Aldrich购买。本研究中使用的双链DNA是通过互补链（DNA1：5’-CGT CAC GTA AAT CGG TTA AC-3′ 和 DNA2：5’-GTT AAC CGA TTT ACG TGA）的杂交制备的。
TPE两亲分子的设计与合成
TPE基两亲衍生物TPE1、TPE2和TPE3（见图1A-C）的设计旨在通过超分子组装策略在水性介质中构建DNA纳米结构。这些分子经过合理设计，结合了TPE的聚集特性和苯胺的DNA相互作用特性，同时通过加入三乙二醇间隔剂仔细控制疏水-亲水平衡。
结论
在这里，我们展示了如何利用TPE两亲分子的内在DNA结合能力，在水性环境中实现适当设计的四苯乙烯（TPE）两亲分子的分层组装和重新组装。通过TEM和AFM分析系统研究了TPE两亲分子通过最初形成的纤维状结构的侧向关联逐步演化成纳米带和纳米片的过程。连接到TPE核心的三乙二醇链的数量起着关键作用。
CRediT作者贡献声明
安贾利·宾杜·拉梅桑（Anjali Bindu Ramesan）：撰写原始草稿、方法论、研究、数据管理、概念化。乔希·约瑟夫（Joshy Joseph）：撰写原始草稿、验证、监督、项目管理、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
感谢DST纳米任务项目（DST/NM/TUE/EE-02/2019-1）和CSIR-NIIST DCPC卓越中心（PC-II-25014/3/2022-PC II-CPC, FTS: 3019123）的财政支持。JJ还感谢SERB在CRG计划（CRG/2022/005710）下的支持。A.B.R.感谢印度大学资助委员会（UGC）提供的研究奖学金。
