用 DNA 指导金属纳米材料合成 | Nature Communication

最近，韩国高丽大学研究教授、成均科技有限公司合伙人马兴毅博士及其合作者将人们所熟知的生物分子 DNA 应用在没有生命的无机化学领域，首次利用 DNA 调控了金纳米颗粒在溶液中的定向生长，创新出了“设计+合成”一步到位的金属纳米材料的制备方法。

编辑 谭坤

工程设计蕴涵着先进科技，同时充满了艺术魅力。智能电子设备和生物医疗等产业的飞速发展，对工程设计的精度提出了越来越高的要求，尺度范围已进入纳米级别。三星电子定于今年晚些时候投产的10nm 芯片生产工艺是一个典型例证，该工艺将使处理器功耗降低40%，速度提升20%。

在纳米尺度下，对材料和结构进行设计非常困难，这由于金属和半导体材料的物理化学性质在该尺度下会异于常态，对结构的可控性也变得极低。如何根据特定的要求对纳米材料进行设计和合成，并在可控度和精度上取得突破，是当前世界范围内材料和化学工程师共同面对的难题之一。

最近，韩国高丽大学研究教授、成均科技有限公司合伙人马兴毅博士及其合作者将人们所熟知的生物分子 DNA 应用在没有生命的无机化学领域，首次利用DNA 引导了金纳米颗粒在溶液中的定向生长，创新出了“设计+合成”一步到位的金属纳米材料的制备方法。该研究同时由美国加州大学伯克利分校、尔湾分校和科罗拉多大学博尔德分校的研究者参与完成，相关论文 Gold nanocrystals with DNA-directed morphologies 在国际著名期刊 Nature Communications 上发表（DOI:10.1038/ncomms12873,具体信息见文末）。

项目主要研究人员：马兴毅博士，高丽大学化工生物工程学院、融合化工系统研究所研究教授。

DNA 引导一个 AuNC 结晶

图片来源：nature.com

在生命体中，DNA 可指导生物功能分子蛋白质的合成，进而控制生命过程。在该研究中，DNA 被利用在没有生命的无机化学范畴，来指导金属纳米材料的合成。通过控制反应体系，DNA 可控制金原子沿着特定的方向结晶生长；通过控制 DNA 分子的数量和形态，可以合成出具有不同形貌和结构的金纳米颗粒，最终获得具有自定义属性的材料。例如，特定数量的直线型 DNA 调控合成出具有特定分枝数量的星状纳米颗粒，不同的分枝结构产生不同的光学吸收性能，在光谱中显示为不同的特征曲线；将不同的生物抗体结合到纳米颗粒表面之后，可以捕获人体血液中对应的致病抗原，进而实现实时、多功能的医学光谱诊断。更为有趣的是：某原核细胞中的质粒 DNA 调控合成出纳米尺寸的金花，这朵金花的花瓣小于100纳米，花茎细到5纳米，可以说是目前世界上最小的朵了。

右侧为环形暗场扫描透射电镜下的金花

图片来源：nature.com

对纳米尺度的金属材料实现精确可控的、结构可自定义的程式化设计，是当前材料界的重大突破，这意味着人们在微观世界获得了工程设计的主动权，并可创造更多充满结构艺术性和功能先进性的新型纳米材料，这将给纳米技术的发展带来巨大推动力。

“信息技术、纳米技术和生物技术一起被公认为21世纪的三大高新科技，世界主要国家已经在这些领域展开激烈竞争并希望推进新一轮产业革命。”马教授进一步解释道：“实际上，三大技术都涵盖许多学科，彼此之间相互融合而非孤立。以往，纳米技术更多地服务于生物技术，比如纳米材料应用于生物医学诊断和治疗；现在，我们反向思考，使生物分子服务于纳米技术的研究。各种生物分子组成了一个百宝箱，它们在千百万年的生命进化过程中仿佛已经充满灵性，可以帮助纳米工程师解决很多之前无法解决的问题。我们的研究工作只是一个开始，希望这个工作可以给予研究者更多的灵感，去推进纳米生物技术的深层次发展。”

马兴毅教授及其团队简介

马兴毅2009年毕业于哈尔滨工业大学生物技术专业，毕业后通过国家留学基金委“国家建设高水平大学项目”留学韩国，先后于2011年8月和2015年2月获得成均馆大学工学硕士和高丽大学工学博士学位。毕业后，马兴毅及其团队在中国注册成立长春成均科技有限公司，致力于韩国科技项目在中国的对接和产业化。

其研究领域是纳米材料的合成、纳米等离子体的光学应用以及生物医学传感芯片的研发，现为英国皇家学学学会副会员、韩国工业化学学会会员，Plos One等杂志特约审稿人。最近的主要研究内容是基于智能生物分子的金属纳米材料的“设计性”合成及其在癌症诊断方面的传感器设计(lab-on-a-particle技术)，相关研究获得韩国国家研究基金（NRF）和韩国未来创造科学部KCCS等项目的支持。

个人网址：www.mnbtec.com。

---

相关论文信息

【题目】Gold nanocrystals with DNA-directed morphologies

【作者】Xingyi Ma, June Huh, Wounjhang Park, Luke P. Lee, Young Jik Kwon & Sang Jun Sim

【期刊】Nature Communications 7, Article number: 12873 (2016)

【doi】10.1038/ncomms12873

【发表日期】Published online:16 September 2016

【Abstract】Precise control over the structure of metal nanomaterials is important for developing advanced nanobiotechnology. Assembly methods of nanoparticles into structured blocks have been widely demonstrated recently. However, synthesis of nanocrystals with controlled, three-dimensional structures remains challenging. Here we show a directed crystallization of gold by a single DNA molecular regulator in a sequence-independent manner and its applications in three-dimensional topological controls of crystalline nanostructures. We anchor DNA onto gold nanoseed with various alignments to form gold nanocrystals with defined topologies. Some topologies are asymmetric including pushpin-, star- and biconcave disk-like structures, as well as more complex jellyfish- and flower-like structures. The approach of employing DNA enables the solution-based synthesis of nanocrystals with controlled, three-dimensional structures in a desired direction, and expands the current tools available for designing and synthesizing feature-rich nanomaterials for future translational biotechnology.

阅读更多

▽ 故事

▽ 论文推荐

▽ 中文摘要

---

内容合作请联系

[e-mail]

---

这里是“科学美国人”中文版《环球科学》服务科研人的微信号“科研圈”。我们：

· 关注科学进展与科研生态

· 推荐重要前沿研究

· 发布科研招聘

· 推送学术讲座与会议预告。

欢迎长按二维码关注。