納米人編輯部對2019年國內(nèi)外重要科研團隊的代表性重要成果進行了梳理，今天，我們要介紹的是美國科學院院士、美國工程院院士、美國醫(yī)學院院士、美國藝術(shù)與科學院院士，中國科學院外籍院士，美國西北大學化學系、醫(yī)學系以及材料工程系Chad A. Mirkin教授。
Chad A. Mirkin教授是納米科學與技術(shù)、生物醫(yī)學工程等領域的國際頂尖專家。他在球形核酸分子的合成與應用、蘸筆納米印刷術(shù)以及超分子化學領域都取得了非常顯赫的原創(chuàng)性科技成就并對這些領域的發(fā)展產(chǎn)生了深邃的影響。
Chad A. Mirkin課題組主要研究領域包括：
1. 球形核酸
2. 各向異性納米結(jié)構(gòu)
3. 可編程納米材料
4. 蘸筆納米印刷
5. 有機金屬化學
下面，我們簡要總結(jié)了Chad A. Mirkin教授課題組2019年部分研究成果，供大家交流學習。
1）僅限于通訊作者文章，以online時間為準。
2）由于學術(shù)有限，所選文章及其表述如有不當，敬請批評指正。
以下篇幅分六個部分展開
Part Ⅰ 3D打印
Part Ⅱ 納米合金合成
Part Ⅲ DNA可編程納米技術(shù)
Part Ⅳ 核酸技術(shù)與細胞蛋白質(zhì)工程
Part Ⅰ 3D打印
1. Science：流動液體界面實現(xiàn)快速、大規(guī)模3D打印
3D打印是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，然而，受打印速度、產(chǎn)量和分辨率的限制，目前仍未大規(guī)模應用。
有鑒于此，美國西北大學Chad A. Mirkin等人近日設計開發(fā)了一種用于聚合物組分的立體凹版三維打印方法，該方法使用一個移動的液體界面(一種氟化油)來減少界面和打印對象之間的粘附力，從而允許一個連續(xù)的、快速的打印過程，而不考慮聚合物前驅(qū)體，連續(xù)的垂直打印速率超過每小時430毫米，并且打印了由硬塑料、陶瓷前體和彈性體制成的材料。該工作是3D打印技術(shù)的革命性突破！有利于推動3D打印技術(shù)的應用。
David A. Walker, James L. Hedrick, Chad A. Mirkin. Rapid, large-volume,thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface. Science,2019.
https://science.sciencemag.org/content/366/6463/360
Part Ⅱ 納米晶合成
2. Science：七種元素把合金進行到底！
隨著多相，多元納米顆粒的發(fā)展趨向于更大的組成多樣性和結(jié)構(gòu)復雜性，理解如何在一個粒子中建立特定類型的界面，對于設計新型功能性納米結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。目前，合成多元納米異質(zhì)結(jié)的策略很多，但是對于其中的熱力學相仍然知之甚少，對于為什么形成特定結(jié)構(gòu)，表面和界面能量在控制形成特定結(jié)構(gòu)中的所起的作用尚不明了。
有鑒于此，美國西北大學Chad A. Mirkin團隊報道了一種七元合金的相和界面的控制合成策略，揭示了表面和界面能量之間的平衡如何影響相和界面結(jié)構(gòu)。研究人員使用掃描探針嵌段共聚物光刻（SPBCL）技術(shù)，基于Au，Ag，Cu，Co, Ni五種元素，在納米反應器中與PdSn合金系統(tǒng)性構(gòu)建形成多元金屬納米顆粒數(shù)據(jù)庫。研究表明，三相納米粒子具有兩個或三個界面結(jié)構(gòu)，四相納米粒子表現(xiàn)出多達六個界面。這項研究為多元異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建提供了更系統(tǒng)的理論指導，為金屬納米異質(zhì)結(jié)在催化、電子器件等領域的應用提供了更多借鑒。
Peng-Cheng Chen, Chad A.Mirkin et al. Interface and heterostructure design in polyelementalnanoparticles. Science 2019, 363,959-964.
http://science.sciencemag.org/content/363/6430/959
3. Science：二十四面體高指數(shù)晶面納米顆粒合成普適性策略
美國西北大學Chad A.Mirkin團隊在硅晶片上合成了由鉑（Pt），鈀，銠，鎳和鈷組成的二十四面體顆粒（約10至約500nm）以及雙金屬組合物，并且在無配體的催化載體上實現(xiàn)了合成，通過固態(tài)反應使用微量元素[銻（Sb），鉍（Bi），鉛或碲]來穩(wěn)定高指數(shù)面,。模擬和實驗都證實了這種方法穩(wěn)定了{210}平面。
對PtSb體系的研究表明，二十四面體形狀是由Sb從初始合金中蒸發(fā)去除產(chǎn)生的 ，形狀調(diào)節(jié)過程與溶液相，配體依賴性過程根本不同。通過采用Bi轉(zhuǎn)化成二十四面體顆粒后，在商用Pt/C催化劑電氧化甲酸的固定電位下，其電流密度增加了20倍。
Liliang Huang et al. Shape regulation of high-index facet nanoparticlesby dealloying. Science 2019,365, 1159-1163.
https://science.sciencemag.org/content/365/6458/1159
ACS Nano: 各向異性納米反應器中大規(guī)模并行合成納米顆粒
Liban Jibril, et al.Massively Parallel Nanoparticle Synthesis in Anisotropic Nanoreactors. ACS Nano2019 13 (11), 12408-12414
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05781
Part Ⅲ DNA可編程納米技術(shù)
4. Science：膠體晶體中電子的粒子類似物
納米粒子的結(jié)晶可以通過DNA鏈的功能化來控制，DNA鏈通過雜交直接組裝。在這樣的體系中，DNA納米顆粒偶聯(lián)物被認為是可編程原子等價物（PAEs），并且設計規(guī)則來設計結(jié)晶結(jié)果。受到分子動力學模擬的啟發(fā)，西北大學Chad A. Mirkin和MonicaOlvera de la Cruz等人表明，當減小尺寸（約1.5nm）和DNA嫁接密度時，PAEs表現(xiàn)為電子等價物（EEs），可以穩(wěn)定較大PAEs (約10nm) 的晶格，這些較小的粒子在晶格中是可移動和擴散的，因此鍵的相互作用類似于金屬中電子的經(jīng)典現(xiàn)象。
這一發(fā)現(xiàn)定義了膠體晶體的一種新特性：金屬性，由EEs的離域和擴散程度表征可得。隨著DNA股數(shù)的增加或溫度的降低，EEs局部化，這在結(jié)構(gòu)上使人想起金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變。因此，膠體晶體的金屬性為金屬、金屬間和化合物相提供了新的途徑。
Chad A. Mirkin, MonicaOlvera de la Cruz, et al., Particle analogs of electrons in colloidal crystals.Science 2019, 364, 1174-1178
https://science.sciencemag.org/content/364/6446/1174
5. Nature Rev. Mater.：DNA用于晶體工程
此篇綜述中，美國西北大學化學系教授Chad A. Mirkin等人回顧了過去20年中對晶體工程進行基因編碼的相關(guān)研究。與用于生物過程的基因編碼不同，這種編碼是指：采用人工合成的DNA，對納米顆粒、微米顆粒組裝成1D/2D/3D晶態(tài)結(jié)構(gòu)的過程進行程控。值得注意的是，這種方法對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的幾乎所有指標都能系統(tǒng)地控制。在此概念框架下，作者總結(jié)了結(jié)構(gòu)與功能調(diào)控方面的進展，盡可能展現(xiàn)了最前沿的相關(guān)研究工作，并預測了未來發(fā)展方向。
相關(guān)的研究進展主要包括：1.晶格對稱性可程控+晶體習性明確的奇異結(jié)構(gòu)；2.利用核酸的內(nèi)在特性來按需操縱結(jié)構(gòu)的響應材料；3. 從表面外延生長的納米粒超晶格；4. 對光-物質(zhì)相互作用提供深入認知的膠體晶體。展望未來，作者認為，雖然DNA用于晶體工程在結(jié)構(gòu)控制方面具有非凡優(yōu)越性，但其在制備性質(zhì)超越天然晶體材料/傳統(tǒng)策略所制備材料的功能材料方面仍存在挑戰(zhàn)。
Laramy C R, O′Brien M N & Mirkin C A. Crystal engineering with DNA. NatureReviews Materials, 2019.
https://www.nature.com/articles/s41578-019-0087-2
6. JACS: 膠體晶體“合金”
Chad A. Mirkin等人報道了“膠體晶體合金”的設計，即將兩種不同大小的金粒子（5nm -40nm）與作為電子等價物（EEs）的互補DNA修飾的2 nm金納米粒子（15條DNA鏈/粒子）結(jié)合起來，以用于預測的“合金”相的形成過程。
Shunzhi Wang, et al.Colloidal Crystal “Alloys”. Journal of the American Chemical Society 2019 141(51), 20443-20450
https://doi.org/10.1021/jacs.9b11109
AM: DNA和磁場介導的磁性納米顆粒組裝成高長徑比晶體
Park, S. S., Mirkin, C.A., et al. DNA‐ and Field‐MediatedAssembly of Magnetic Nanoparticles into High‐AspectRatio Crystals. Adv. Mater. 2019, 1906626.
https://doi.org/10.1002/adma.201906626
JACS:多價陽離子激發(fā)DNA介導的膠體超晶格
Devleena Samanta, et al.Multivalent Cation-Induced Actuation of DNA-Mediated Colloidal Superlattices.Journal of the American Chemical Society 2019 141 (51), 19973-19977
https://doi.org/10.1021/jacs.9b09900
另：
Part Ⅳ 核酸技術(shù)與細胞蛋白質(zhì)工程
7. Nature Biomed.Eng.: 通過高通量篩選和機器學習探索納米藥物設計空間
由于納米醫(yī)學的結(jié)構(gòu)復雜性和缺乏相關(guān)的高通量合成和分析方法，納米醫(yī)學設計空間中只有很小一部分已經(jīng)被探索。于此，西北大學Chad A. Mirkin, AndrewLee, Neda Bagheri和Milan Mrksich等人報道了一種用于確定球形核酸（SNAs）的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系和設計規(guī)則的方法，而SNAs是作為候選的癌癥疫苗。該方法是通用的，可以將需要測試的納米顆粒數(shù)量減少一個數(shù)量級，并且可以作為開發(fā)納米顆粒療法的篩選工具。
首先，研究人員根據(jù)11個設計參數(shù)的合理范圍確定了約1000個候選SNAs，這些參數(shù)可以系統(tǒng)地、獨立地改變，以優(yōu)化SNA性能。第二，研究人員開發(fā)了一種高通量方法，可在384孔規(guī)格下以皮摩爾規(guī)模制備SNAs，并使用質(zhì)譜分析法快速測量SNA免疫激活。第三，還使用機器學習對SNA免疫激活進行定量建模，并確定最佳結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系所需的最小SNA數(shù)量。
Yamankurt, G., Berns,E.J., Xue, A. et al. Exploration of the nanomedicine-design space withhigh-throughput screening and machine learning. Nat Biomed Eng 3, 318–327(2019)
https://doi.org/10.1038/s41551-019-0351-1
8. PNAS: 球形核酸合理設計疫苗
盡管佐劑和抗原分子在產(chǎn)生適應性免疫應答中的作用眾所周知，但疫苗的開發(fā)仍然是一個突出的挑戰(zhàn)，特別是對于癌癥免疫治療。西北大學Chad A. Mirkin、Andrew Lee和Bin Zhang等人研究了一組球形核酸（SNAs），其中佐劑、抗原和納米結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)得以保留，但在一個關(guān)鍵特征上有所區(qū)別：肽抗原的位置和結(jié)合化學。通過比較這些成分相同但結(jié)構(gòu)不同的SNAs，研究人員確定了一種在多種動物模型中作為治療性疫苗具有優(yōu)異性能的結(jié)構(gòu)，并為改善抗腫瘤免疫反應提供了機制基礎；這些結(jié)果表明了合理開發(fā)SNA疫苗的成功潛力。
Shuya Wang, et al.Rational vaccinology with spherical nucleic acids. Proceedings of the NationalAcademy of Sciences May 2019, 116 (21) 10473-10481
https://doi.org/10.1073/pnas.1902805116
9. AM綜述：作為活細胞的胞內(nèi)探針的核酸平臺
細胞在分子水平上的化學成分決定了它們的生長、分化、結(jié)構(gòu)和最終的功能。而對這類成分進行檢測分析則可以幫助人們了解細胞內(nèi)部的化學過程，并有望實現(xiàn)基于分子水平的疾病診斷。近年來，核酸探針已被證明是一種很有應用前途的平臺，可以在單細胞分辨率下檢測多種活細胞內(nèi)的分析物。美國西北大學Chad A. Mirkin教授團隊對這一領域的最新研究進展進行了介紹，對探針設計的常用策略、靶點的類型、目前的局限性和未來的發(fā)展方向進行了詳細介紹。
Devleena Samanta, ChadA. Mirkin. et al. Nucleic-Acid Structures as Intracellular Probes for Live Cells. AdvancedMaterials. 2019
https://doi.org/10.1002/adma.201901743
10. JACS: DNA功能化的MOF用于蛋白質(zhì)的細胞內(nèi)遞送
由于蛋白質(zhì)體積大、表面帶電、對環(huán)境敏感，它們不能自然完整地穿過細胞膜，因此很難用于診斷和治療目的。基于觀察到的聚簇寡核苷酸可以自然地參與促進細胞轉(zhuǎn)染的清道夫受體，西北大學Chad A. Mirkin和Omar K. Farha等人分別從NU-1000和PCN-222/MOF-545設計并合成了核酸-金屬有機框架納米粒子（MOF NP）偶聯(lián)物，并且以磷酸封端的寡核苷酸。
對它們的結(jié)構(gòu)和進入哺乳動物細胞的能力進行表征。MOF作為蛋白質(zhì)宿主，其密集的功能化、寡核苷酸豐富的表面使其膠體穩(wěn)定，并確保容易進入細胞。用胰島素作為模型蛋白，與天然蛋白相比，其高負載量和細胞攝取增加了10倍。重要的是，這種方法可以推廣到促進各種蛋白質(zhì)作為生物探針或潛在治療劑的遞送。
Shunzhi Wang, et al.DNA-Functionalized Metal–Organic Framework Nanoparticles for IntracellularDelivery of Proteins. Journal of the American Chemical Society 2019 141 (6),2215-2219
https://doi.org/10.1021/jacs.8b12705
11. JACS: 無汞自動化合成胍骨架寡核苷酸
Chad A. Mirkin等人報道了一種以碘為溫和廉價偶聯(lián)劑合成脫氧胍（DNG）寡核苷酸的新方法。該方法消除了對用于制備DNG寡核苷酸的方法中歷史上使用的有毒汞鹽和辛基硫酚的需要。這種偶聯(lián)策略很容易被轉(zhuǎn)化為標準的MerMade 12寡核苷酸合成器，偶聯(lián)率為95%，并且能夠合成一個20 mer的DNG寡核苷酸，這是迄今為止最長的DNG鏈，此外還有帶有3-9個DNG插入的混合DNA-DNG序列。
重要的是，與未修飾的寡核苷酸相比，DNG寡核苷酸具有強大的非輔助細胞攝取。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)將大大增加陽離子骨架修飾的可獲得性，并有助于開發(fā)基于寡核苷酸的藥物。
Kacper Skakuj, et al.Mercury-Free Automated Synthesis of Guanidinium Backbone Oligonucleotides.Journal of the American Chemical Society 2019 141 (51), 20171-20176
https://doi.org/10.1021/jacs.9b09937
Acc. Chem. Res.:利用DNA進行蛋白質(zhì)材料工程
Janet R. McMillan, etal. Protein Materials Engineering with DNA. Accounts of Chemical Research 201952 (7), 1939-1948
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.9b00165
另：
此外，Chad A.Mirkin教授課題組在2019年還有關(guān)于DNA的其他應用和納米印刷技術(shù)等研究，就不在此一一列舉，感興趣的讀者可前往網(wǎng)站進行學習。
課題組網(wǎng)站：https://mirkin-group.northwestern.edu/
Chad A. Mirkin教授簡介
