DNA和RNA作为自然界的遗传物质,具有纳米级尺寸双螺旋结构并始终遵循碱基互补配对原则,成为理想的纳米自组装材料。核酸分子的生物相容性、可编程和可寻址性,赋予了核酸纳米材料丰富的功能。上世纪八十年代,纽约大学Seeman教授受到霍利迪结(Holliday Junction,HJ)的启发,用几条DNA核苷酸链构建结构基元,成功地实现二维DNA纳米晶格结构的自组装,开启了核酸纳米技术的时代。核酸自组装技术是将核酸分子作为分子建筑模块材料,在热力学驱动下,组装零维(0D)、一维(1D)、二维(2D)、和三维(3D)的微纳米结构。利用这种“底端向上”的结构构建方法,人们可以从不同维度精确地组装形态多样、尺寸可控且具有丰富功能的核酸纳米结构,并将其应用于纳米材料、生物传感、生物医学、逻辑计算等领域。环状核酸分子在生物界普遍存在,在组装核酸纳米结构时,环状核酸分子首尾相连,缺少可自由活动的两端,只能被线性核酸分子穿插;上述特性可以增加整体结构的刚性,利于得到更加稳定的自组装结构。本论文中,我们以环状核酸分子为支架构建了不同形貌的二维核酸纳米结构。双交叉分子瓦(Double Crossover tile,简写为DX tile)作为牢固的建筑基元,是构建核酸纳米结构的基础。我们将DNA双螺旋的半个周期称为Half-Turn,在DX结构的两个交叉点之间设计偶数(Even)个Half-Turn,即得到DAE(Double crossover,Antiparallel double helices,Even half-turns)分子瓦结构,设计奇数(Odd)个Half-Turn,即得到DAO(Double crossover,Antiparallel double helices,Odd half-turns)分子瓦结构。合理的设计可以将DAE和DAO结构进行连接,并扩展得到不同形貌的核酸自组装结构。我参与完成了基于64nt和84nt(nt是nucleotide的缩写,代表一个核苷酸)小环DNA的二维DNA纳米结构的自组装工作。以64nt结构为例,我们环化了线性64nt的DNA单链,命名为c64nt,以之为支架,用两条辅助链在环内构建HJ。延伸辅助链后,我们在距离中心处3个Half-Turn的环的两端分别构建一个HJ,得到两个DAO耦合的结构cDAO-c64nt。设计偶数(-E)和奇数(-O)个Half-Turn长度的连接链,cDAO-c64nt的自组装得到了完美的无限二维晶格结构cDAO-c64nt-E和cDAO-c64nt-O。由于细胞内的各种亚细胞器和分子机器都是微纳尺度内尺寸可控的分子结构,实现DNA纳米有限结构有望模仿尺寸可控的多种细胞零件,为生物医学或者其他领域的应用打下一定的基础。我们利用32个有着同一序列的c64nt核但不同序列的核外悬垂结构的cDAO-c64nt,组装了一个5×6有限晶格结构。使用同样的策略,我们也成功实现了tHJ-c84nt-E和tHJ-c84nt-O的纳米组装结构。DNA有多种构象,如右手双螺旋B-DNA、右手双螺旋A-DNA、和左手双螺旋的Z型,有极少数的报道证实了C-DNA在人工合成短序列构成的DNA晶体中的存在。在DNA纳米结构中,DNA双螺旋的构象想当然地被认为是由B-DNA主导的。在cDAO-c64nt-E和tHJ-c84nt-E的二维结构中,我们观察到DNA双螺旋轴的方向与分子瓦横向排列阵列的方向并不相互垂直,而是成一定角度。我们认为产生这一现象的原因是结构中DNA双螺旋的构象发生了变化。故我们尝试在c64nt和c84nt小环构建的cDAO-c64nt-E和tHJ-c84nt-E两种二维结构中,微调中心HJ的位置,使之沿着环旋转的方向倾斜1-2个碱基,得到类似A-DNA主导构成的四种倾斜的分子瓦和二维纳米结构;而逆向环的旋转方向倾斜1-2个碱基,则得到类似C-DNA主导构成的四种倾斜的分子瓦和二维纳米结构结构。各个结构中双螺旋轴的方向与分子瓦横向排列阵列方向夹角的变化,说明在刚性分子瓦组装的结构中,类似A-DNA的构象结构能稳定存在,而类似C-DNA构象结构的存在还需要其他实验手段的佐证。这是首次在溶液状态下用核酸自组装结构来验证C-DNA构象的存在。我们也将这一发现扩展到RNA/DNA杂合结构中,尝试环化一条66nt的RNA链组装倾斜的RNA/DNA杂合结构。RNA的环化遇到挑战,故我们以未环化的RNA单链为支架,以互补的DNA单链作为辅助链,设计了类似C-DNA双螺旋构建的核酸分子瓦,自组装得到了排列不够规整、连接不够紧密的RNA/DNA杂合结构,较为粗略地验证了C-DNA的核酸构象也可存在于RNA/DNA杂合结构中。