摘要：DNA不仅是生物遗传信息的载体,更是一种可精确操控和设计、高度生物相容的高分子材料.由于DNA的特异性碱基互补配对和碱基序列的可编程性,人们设计了DNA链替换反应.基于链替换反应,可以构建链替换反应网络,实现特定的功能.本文综述了近年来在DNA结构和力学性质、链替换反应的微观机制和速率调控机制、反应网络构建和调控,及其在球形核酸自组装和细胞组装等方面的研究进展.最后,我们展望了DNA链替换反应网络未来研究和发展方向.

摘要：流体在微流通道中形成剪切流场（低雷诺数）．不同于宏观体系，由于剪切力和表面张力的竞争作用，产生的液滴在微尺度下的微流通道中形成特殊的排列现象---周期性类似“晶格”排列现象．设计了新型流动聚焦型微流控芯片，分析研究在微流体系中液滴周期性图案化排列和转变机理性，液滴排列模式受两方面因素影响：水油两相的流速比值和微通道尺寸．当微通道宽度为250或300 μm时，液滴形成单层分散，双层和单层挤压排列．当微通道宽度为350 μm 时，液滴会形成单层分散到三层排列到双层挤压最后到单层挤压排列．当出口通道宽度增加到400 μm时，甚至出现了液滴四层排列的现象．同时研究了各个液滴排列模式的“转变点”.

摘要：作为一种精巧的DNA纳米机器,DNA步行器因其优异的可设计性及可编程性在众多研究领域中展示出强大的应用价值.本工作通过将基于催化发夹组装的双足DNA步行器与DNA功能化的金纳米粒子(即球形核酸)组装相结合,开发了一种具有时间依赖性的DNA步行器驱动球形核酸恒温有序组装的策略.以单组分球形核酸组装体系为例, DNA步行器通过发夹催化组装反应驱动在球形核酸表面上随机行走并逐渐产生带有活性粘性末端的DNA杂交结构,促使球形核酸表面粘性末端间的"键合"速率与其组装速率在时间尺度上保持同步,从而得到面心立方(FCC)晶型的超晶格结构.基于类似原理,作者还构建了一种DNA步行器驱动的双组分球形核酸组装体系并以此得到氯化铯(CsCl)晶型的超晶格结构.

摘要：设计了一种核糖体调节器—“立足点开关”(toehold switch)。与传统核糖体调节器设计不同的是,该核糖体调节器的起始密码子(AUG)和核糖体结合位点位于核糖体调节器中发夹结构RNA的环(loop)上,而“茎”(stem)结构是完全互补配对的RNA双链。通过RNA链替换反应,引发链(trigger)RNA能够打开发夹结构RNA,从而激活下游绿色荧光蛋白的表达,导致荧光信号的增长,最终实现对大肠杆菌基因表达的调控。系统研究了“茎”的长度对绿色荧光蛋白表达的调控作用。实验结果表明,当“茎”的长度大于8个碱基时,发夹结构RNA就能有效地抑制绿色荧光蛋白的表达。进一步的共表达实验结果表明,引发链RNA能够打开发夹RNA,从而调控大肠杆菌基因表达。Toehold开关调控的大肠杆菌基因表达系统具有可拓展性,可应用于多基因表达调控,对基因疾病诊疗具有潜在应用价值。

摘要：该研究针对不同相互作用类型、强度和距离的高分子物理凝胶体系(如:网络尺寸均一与非均一的物理凝胶、聚电解质凝胶和高分子/无机纳米杂化水凝胶、双网络增强水凝胶等),重点发展静态与动态光散射、小角中子散射、固体核磁共振谱、激光共聚焦显微镜和微流变等方法,在不同尺度上研究物理凝胶化过程中分子链与链段由平衡态的各态历经向平衡的非各态历经转变,理解物理凝胶的多层次结构及其动态结构多样性的物理本质,明晰分子链"捕获"和束缚溶剂在物理凝胶形成过程中的作用,分析物理凝胶形成过程中力学响应规律,不同尺度上认识高分子物理凝胶化机理及其结构与性能的调控机制。利用微流控技术制备尺寸精确可调的微凝胶,研究分子链在受限空间下的物理凝胶化机理和动态结构多样性本质,结合在片(Onchip)包埋技术,为制备具有潜在应用前景、具有特殊环境响应能力(如:对光、电、磁等的响应)的多功能微凝胶材料提供科学依据。发展动态Monte Carlo、分子动力学、耗散粒子动力学和动态密度泛函等模拟方法,研究高分子物理凝胶及物理微凝胶模型体系的溶胶-凝胶转变过程,认识物理交联网络几何拓扑结构演化与凝胶化的关联和体积相变的物理本质,明晰微凝胶颗粒在体积相变过程中力学性能的变化规律以及体积相变的尺寸依赖性,理解高分子物理凝胶特殊环境响应性的物理本质,拓展高分子物理凝胶化的理论模型。在实验与模拟结果相互佐证的前提下,借助物理凝胶的刺激响应性和可逆性,通过调控高分子物理凝胶多层次结构和相互作用,实现特征松弛时间和特定结构尺寸的控制,为智能高分子凝胶材料的设计和制备提供指导。