DNA的滾環(huán)擴(kuò)增合成研究

劉淑貞 張志慶 王 芳 周 亭 王秀鳳 張國(guó)棟 劉婷婷 張洪芝

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)理學(xué)院，山東 青島 266580)

DNA的滾環(huán)擴(kuò)增合成研究

劉淑貞 張志慶＊王 芳 周 亭 王秀鳳 張國(guó)棟 劉婷婷 張洪芝

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)理學(xué)院，山東 青島 266580)

滾環(huán)擴(kuò)增(RCA)反應(yīng)作為一種簡(jiǎn)單高效的等溫酶促反應(yīng)，現(xiàn)已發(fā)展為核酸擴(kuò)增領(lǐng)域的新技術(shù)，其產(chǎn)物在組裝體搭建和多功能材料的制備方面有著廣泛的應(yīng)用。本文采用瓊脂糖凝膠、紫外和透射電鏡(TEM)等手段，探究了時(shí)間、三磷酸脫氧核糖核苷(dNTPs)、酶以及引物的濃度等因素對(duì)脫氧核糖核酸(DNA)滾環(huán)擴(kuò)增產(chǎn)物的影響。結(jié)果表明：在反應(yīng)開始的前30 min，RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度受時(shí)間的影響比較明顯；隨著dNTPs濃度的提高，RCA產(chǎn)物的鏈長(zhǎng)增長(zhǎng)，濃度也不斷提高；酶和引物的濃度對(duì)滾環(huán)擴(kuò)增產(chǎn)物的長(zhǎng)度沒有明顯影響，但對(duì)RCA產(chǎn)物濃度的影響較大，過量的酶致使RCA產(chǎn)物的含量顯著下降。

滾環(huán)擴(kuò)增技術(shù)；核酸；dNTPs；聚合酶；引物

1 引 言

近年來，分子生物學(xué)和生物化學(xué)發(fā)展迅速，新的核酸擴(kuò)增技術(shù)不斷涌現(xiàn)，滾環(huán)擴(kuò)增(Rolling Circle Amplification，RCA)反應(yīng)作為一種簡(jiǎn)單高效的等溫酶促反應(yīng)發(fā)展迅速，現(xiàn)已成為核酸擴(kuò)增技術(shù)的新寵1。在RCA反應(yīng)中，聚合酶連續(xù)不斷地將核苷酸添加到環(huán)狀模板的引物上，形成一條含有幾十、幾百甚至上千個(gè)相互串聯(lián)重復(fù)單元的單鏈 DNA。不同于聚合酶鏈?zhǔn)?Polymerase Chain Reaction，PCR)反應(yīng)需要昂貴精密的設(shè)備和熱穩(wěn)定性的聚合酶2，RCA反應(yīng)可以在恒溫條件下的溶液中，固相支持物上，甚至一個(gè)復(fù)雜的生物環(huán)境中進(jìn)行反應(yīng)3。

滾環(huán)擴(kuò)增反應(yīng)作為一種強(qiáng)大的核酸擴(kuò)增工具，其產(chǎn)物在許多方面都有著廣泛的應(yīng)用。如Mao等4利用長(zhǎng)度不同的RCA產(chǎn)物與金納米顆粒進(jìn)行組裝，得到不同長(zhǎng)度的金納米線；Willner等5將RCA產(chǎn)物作為酶有序裝配雜交復(fù)合材料的骨架，表現(xiàn)出強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)衍生性功能；在DNA折紙術(shù)6中，利用長(zhǎng)度合適的RCA產(chǎn)物作為骨架鏈，添加互補(bǔ)短鏈作為腳手架鏈，制備具有不同形貌的組裝體7,8?；赗CA產(chǎn)物搭建的組裝體含有眾多的重復(fù)單元，這種獨(dú)特的組裝體可攜帶大量的用于檢測(cè)和治療的物質(zhì)，例如熒光素、生物素、抗體、納米粒等；同時(shí)也可以通過環(huán)狀模板的設(shè)計(jì)，將RCA產(chǎn)物設(shè)計(jì)成含有適配子、DNA酶、墊片、內(nèi)切位點(diǎn)等功能化序列，制備多功能材料用于生物識(shí)別、藥物遞送、生物傳感等9?20。現(xiàn)在，滾環(huán)擴(kuò)增技術(shù)又在DNA納米粒子(DeNAno)：新型多價(jià)親和試劑21方面嶄露頭角，這更加拓寬了滾環(huán)擴(kuò)增技術(shù)的應(yīng)用。

控制RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度和濃度對(duì)于后續(xù)的組裝和應(yīng)用至關(guān)重要，但是鮮見較系統(tǒng)的研究各種合成條件對(duì)RCA產(chǎn)物影響的報(bào)道。因此，本文系統(tǒng)考察了時(shí)間、dNTPs的濃度、酶的濃度以及引物的濃度等因素對(duì)RCA產(chǎn)物長(zhǎng)度和濃度的影響，并利用瓊脂糖凝膠電泳、紫外和TEM等手段對(duì)RCA產(chǎn)物進(jìn)行表征。

表1 核苷酸序列Table 1 Sequences of oligonucleotides used in RCA reactions.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試 劑

實(shí)驗(yàn)所用核苷酸序列(序列見表 1)及dNTPs(dATP，dTTP，dGTP，dCTP)均購(gòu)自大連

Takara 生物技術(shù)公司(序列見表 1)，保存在?20 °C；phi29 DNA 聚合酶，購(gòu)買于 Thermo Fisher Scientific，保存于?20 °C；瓊脂糖、TAE緩沖溶液、6 × 上樣緩沖液和DNA標(biāo)準(zhǔn)條帶(DNA Ladder，0.2?10 kb, 21 bands)均購(gòu)買于碧云天生物技術(shù)。本文中用水皆為高純水。

2.2 合成及表征方法2.2.1 滾環(huán)擴(kuò)增合成

取一定量的環(huán)狀DNA1模板于離心管中，加入一定量的引物DNA2和dNTPs，用混勻儀混勻15 s；再加入一定量的phi29 DNA聚合酶及緩沖溶液和一定量的水，混勻，在30 °C下反應(yīng)一段時(shí)間，65 °C下終止反應(yīng)。

2.2.2 瓊脂糖凝膠電泳表征

配置1 × TAE緩沖溶液，至于水平電泳槽中，用于跑膠。取 2 μL DNA ladder加入 2 μL 6 × 上樣緩沖液和6 μL H2O混勻，再各取8 μL RCA產(chǎn)物和2 μL 6 × 上樣緩沖液混勻，在0.6%瓊脂糖凝膠上進(jìn)行上樣，300 V恒壓下進(jìn)行電泳，在凝膠成像儀下進(jìn)行觀察和拍攝。本文瓊脂糖凝膠電泳所用ladder皆與圖1a中一致。

2.2.3 吸收光譜表征

首先對(duì)微量紫外分光光度計(jì)(Nanodrop，杭州奧勝 Nano-100)進(jìn)行空白校準(zhǔn)，然后取2 μL RCA產(chǎn)物置于Nanodrop上進(jìn)行測(cè)試，保存數(shù)據(jù)和圖片，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖1 時(shí)間對(duì)RCA產(chǎn)物的影響Fig.1 Effect of reaction time on RCA product.(a, b) the agarose gel (0.6%) electrophoresis of RCA product at different time. bp indicates the number of bases.

2.2.4 透射電鏡表征

取10 μL RCA產(chǎn)物置于銅網(wǎng)上沉積一段時(shí)間，1%醋酸雙氧鈾染色，使用日本電子 JEM-2100高分辨透射電鏡進(jìn)行表征和分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 時(shí)間的影響

首先考察不同反應(yīng)時(shí)間對(duì) RCA產(chǎn)物的影響，從圖1a和1b上可明顯的發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)開始的前半個(gè)小時(shí)，RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度受時(shí)間的影響比較顯著，之后隨時(shí)間的延長(zhǎng)RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度不再有明顯改變。早期的RCA研究者，Eric T Kool等發(fā)現(xiàn)時(shí)間對(duì)RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度有著一定的影響22，而我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之非常類似。膠譜圖1a上RCA產(chǎn)物的亮度隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸變亮，說明最開始反應(yīng)階段不僅產(chǎn)物的長(zhǎng)度比較短，而且濃度也比較低。反應(yīng)過程中，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)產(chǎn)物的長(zhǎng)度不斷增長(zhǎng)，濃度也逐漸增加，直至反應(yīng)達(dá)到平衡22。在反應(yīng)的過程中，長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)的體系中有白色絮狀沉淀物析出，因?yàn)樵诜磻?yīng)初期，RCA產(chǎn)物首先形成一種無定形結(jié)構(gòu)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，RCA產(chǎn)物在基質(zhì)表面形成一些類晶結(jié)構(gòu)，RCA產(chǎn)物繼續(xù)在這些類晶結(jié)構(gòu)的表面上進(jìn)行組裝形成花瓣結(jié)構(gòu)，逐漸形成花狀球形結(jié)構(gòu)。RCA產(chǎn)物可以通過鏈內(nèi)和鏈間的雜交(DNA納米花的組裝不依賴于傳統(tǒng)的Watson-Crick堿基配對(duì))進(jìn)行交聯(lián)形成緊密的結(jié)構(gòu)，在局部累積形成DNA納米花23。用TEM對(duì)30 min的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行掃描，觀察到有很多粘連的球狀物，尺寸在300 nm左右(如圖2a和2b)。

3.2 dNTPs的影響

在RCA體系中加入不同濃度的dNTPs，發(fā)現(xiàn)dNTPs的濃度對(duì)RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度有著非常顯著的影響。從膠譜圖3a上可以明顯觀察到，隨著dNTPs濃度的增加，RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度不斷增長(zhǎng)；當(dāng)dNTPs的濃度增加到一定值時(shí)(環(huán)狀DNA1模板：dNTPs摩爾濃度比為1 : 250)，RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度則不再明顯增長(zhǎng)，再增加dNTPs的濃度對(duì)RCA產(chǎn)物長(zhǎng)度的影響已經(jīng)不大，這可能是由phi29 DNA聚合酶的聚合擴(kuò)增能力決定的24。

如圖3c所示，RCA產(chǎn)物的濃度隨dNTPs濃度的提高而不斷提高，而且隨著dNTPs濃度的提高，體系紫外吸收峰的位置逐漸左移靠近 260 nm(圖3b)。OD260與OD280吸光度的比值越接近1.8(OD為光密度)，代表DNA的純度越高，超過或低于 1.8都代表有別的污染物；而 OD260與OD230吸光度的比值一般在 1.8?2.2之間，表明DNA純度較好25?27。圖 3d所示，Nanodrop分析給出的 OD260/280的比值逐漸接近 1.8，OD 260/230的吸光度比值逐漸接近 2.0，說明隨著dNTPs濃度的增加，體系中RCA產(chǎn)物的含量逐漸提高，至環(huán)狀DNA1模板與dNTPs的摩爾濃度比為1 : 500時(shí)，體系中RCA產(chǎn)物的含量達(dá)到最高。在dNTPs濃度較低時(shí)，RCA反應(yīng)啟動(dòng)的數(shù)量受限，隨著dNTPs濃度的提高，RCA反應(yīng)啟動(dòng)的數(shù)量增加，體系中RCA產(chǎn)物的含量不斷增加，直至體系中環(huán)、引物和酶被充分利用。

3.3 酶的影響

聚合酶在整個(gè)RCA反應(yīng)中有著非常重要的作用，只有在聚合酶的作用下，才能啟動(dòng)整個(gè)反應(yīng)。而在 RCA反應(yīng)體系中，使用聚合酶的種類不同，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響也不盡相同28。隨著滾環(huán)擴(kuò)增技術(shù)的發(fā)展，新型的聚合酶不斷地被發(fā)現(xiàn)使用。本文選用的phi29 DNA聚合酶，具有強(qiáng)大的鏈取代能力和高效的持續(xù)擴(kuò)增能力，可以克服拓?fù)浼s束并有效地形成單鏈DNA29。

圖2 RCA產(chǎn)物的TEM圖Fig.2 TEM images of the RCA product.(a, b) TEM images of the RCA product at 30 min.

圖3 dNTPs摩爾濃度對(duì)RCA產(chǎn)物的影響Fig.3 Effect of dNTPs molar concentration on RCA product.(a) The agarose gel (0.6%) electrophoresis of RCA product at different concentrations of dNTPs; (b) The UV-Vis spectra of RCA product at different concentrations of dNTPs; (c) The concentration of RCA product at different concentrations of dNTPs; (d) Comparison of analytical data for OD260/280 and OD260/230 at different concentrations of dNTPs. OD ratio represents the absorbance ratio.

圖4 phi29 DNA聚合酶對(duì)RCA產(chǎn)物的影響Fig.4 Effect of phi29 DNA polymerase on RCA product.(a) The agarose gel (0.6%) electrophoresis of RCA product at different concentrations of phi29 DNA polymerase;(b) The UV-Vis spectra of RCA product at different concentrations of phi29 DNA polymerase;(c) Comparison of analytical data for OD260/280 and 260/230 at different concentrations of phi29 DNA polymerase.U indicates enzyme activity concentration.

實(shí)驗(yàn)中加入不同濃度的phi29 DNA聚合酶進(jìn)行反應(yīng)，考察酶的活性濃度對(duì)RCA產(chǎn)物長(zhǎng)度和濃度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)phi29 DNA聚合酶對(duì)RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度并沒明顯的影響(圖4a)，但對(duì)RCA產(chǎn)物的濃度影響顯著(圖4b)，隨著酶濃度的提高，RCA產(chǎn)物的濃度先增大后減小。同時(shí)，Nanodrop分析給出的OD260/280和OD260/230吸光度比值顯示(圖 4c)，隨著酶濃度的提高，體系中 OD260/280的比值先接近1.8隨后降低，OD260/230的比值先接近2.0隨后降低，說明隨著酶濃度的增加，過量的酶影響了RCA產(chǎn)物的相對(duì)含量。酶濃度的增加(體系中蛋白含量逐漸增加)，在環(huán)、引物和dNTPs的起始量相同的條件下，酶的加入量越多，在反應(yīng)最終結(jié)束時(shí)，RCA產(chǎn)物的相對(duì)含量越低。而這對(duì)后續(xù)RCA產(chǎn)物的提純不利，因此在RCA反應(yīng)順利進(jìn)行的前提下可以降低酶的濃度，這樣既可保證體系的產(chǎn)率，又降低了經(jīng)濟(jì)成本。

3.4 引物的影響

為了考察引物對(duì)RCA產(chǎn)物的影響，設(shè)計(jì)相同反應(yīng)時(shí)間下引物濃度不同的實(shí)驗(yàn)。膠譜圖5a所示，RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度不隨引物濃度的改變而改變，產(chǎn)物的濃度隨引物濃度的提高而增加。由于引物的濃度決定了酶的附著位點(diǎn)，也決定了RCA反應(yīng)引發(fā)的數(shù)量，繼而決定了RCA產(chǎn)物的濃度。圖5b所示，當(dāng)環(huán)狀DNA1模板與引物摩爾濃度比為1 : 1時(shí)，RCA產(chǎn)物的濃度達(dá)到最高，再增加引物濃度RCA產(chǎn)物的濃度反而有所下降。Nanodrop分析給出的OD260/280和OD260/230吸光度的比值隨引物的增加而逐漸增大(圖 5c)，至環(huán)狀 DNA1模板與引物摩爾濃度比為1 : 1時(shí)，OD260/280的比值達(dá)到1.8左右，再增加引物反而影響了RCA產(chǎn)物的含量。因?yàn)殡S著引物的增加，酶的附著位點(diǎn)增多，引發(fā)的RCA反應(yīng)增多，體系中RCA產(chǎn)物的相對(duì)含量增加；同時(shí)，附著位點(diǎn)的增加導(dǎo)致dNTPs的消耗量增加，游離的dNTPs等其它物質(zhì)的濃度降低，RCA產(chǎn)物的相對(duì)含量也不斷提高，但引物過多時(shí)，反而由于多余的引物不能引發(fā)滾環(huán)擴(kuò)增反應(yīng)而游離在體系中，致使體系中RCA產(chǎn)物的相對(duì)含量降低。

4 結(jié) 論

滾環(huán)擴(kuò)增反應(yīng)是一種非常強(qiáng)大的等溫核酸擴(kuò)增技術(shù)，不管在生物學(xué)應(yīng)用方面還是自組裝方面都有著非常廣泛的應(yīng)用，合理地控制RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度，可有助于我們估算出RCA產(chǎn)物重復(fù)單元的數(shù)量，通過化學(xué)計(jì)量的手段較為精確的計(jì)算出需要添加的互補(bǔ)鏈的數(shù)量，以提高組裝的效率。本文通過以上幾個(gè)考察因素的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)的前半個(gè)小時(shí)，時(shí)間對(duì)RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度影響顯著，半小時(shí)之后隨著時(shí)間的增加變化不再明顯。dNTPs的濃度對(duì)RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度影響較大，增加dNTPs的濃度，RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度會(huì)不斷增長(zhǎng)，至環(huán)狀模板:dNTPs的摩爾濃度比為1 : 250時(shí)，RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度則不再發(fā)生改變。酶和引物濃度對(duì)RCA產(chǎn)物的長(zhǎng)度沒有明顯的影響，而時(shí)間、dNTPs濃度、引物濃度和酶濃度對(duì)RCA產(chǎn)物的濃度和含量都有一定的影響，特別是dNTPs的濃度越高RCA產(chǎn)物的濃度和含量越高。因此，可以通過控制反應(yīng)的時(shí)間和dNTPs的濃度獲得所需長(zhǎng)度的RCA產(chǎn)物，通過合理調(diào)控酶和引物的濃度控制產(chǎn)物的濃度和含量，進(jìn)行組裝體的搭建和功能性的材料的制備，這既有利于后續(xù)反應(yīng)的進(jìn)行又降低了費(fèi)用。

圖5 引物對(duì)RCA產(chǎn)物的影響Fig.5 Effect of the primer concentration on RCA product.(a) An agarose gel (0.6%) electrophoresis of RCA product at different concentrations of primer; (b) The UV-Vis spectra of RCA product at different concentrations of primer; (c) Comparison of analytical data for 260/280 and 260/230 at different concentrations of primer.

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Study on the Synthesis of DNA via Rolling Circle Amplification

LIU Shu-Zhen ZHANG Zhi-Qing＊WANG Fang ZHOU Ting WANG Xiu-Feng ZHANG Gou-Dong LIU Ting-Ting ZHANG Hong-Zhi
(School of Science, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong Province, P. R. China)

Rolling circle amplification (RCA) is a simple and efficient isothermal enzymatic reaction,which has developed as a novel technology in the field of nucleic acid amplification. Its product has a wide range of applications in the assembly and preparation of multi-functional materials. Here, we report the effects of reaction time and the concentrations of deoxyribonucleoside triphosphates (dNTPs),polymerase, and primer on the product of RCA. The RCA product was characterized by methods including agarose gel electrophoresis, ultraviolet spectroscopy, and transmission electron microscopy (TEM). The results showed that the length of the RCA product was significantly affected by the reaction time,especially when the reaction time was less than 30 min. With an increase of dNTPs concentrations, the concentration and chain length of the RCA product increased. However, while the concentrations of enzyme and primer had little effect on the length of the RCA product, they had a large effect on its concentration. It is worth noting that the content of the RCA product decreased significantly in the presence of excess enzyme concentration.

Rolling circle amplification; Nucleic acid; dNTPs; Polymerase; Primer

March 29, 2017; Revised: May 2, 2017; Published online: May 10, 2017.

O648

10.3866/PKU.WHXB201750105 www.whxb.pku.edu.cn

＊Corresponding author. Email: zhangzq@upc.edu.cn; Tel: +86-532-86984568.

The project was supported by the Scientific Research Foundation for Returned Overseas Chinese Scholars (2014010615), National Natural Science Foundation of China (21603276, 21303267), Natural Science Foundation of Shandong Province, China (ZR2016BL14), and Fundamental Research Funds for the Central Universities, China.

教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金(2014010615), 國(guó)家自然科學(xué)青年基金(21603276, 21303267), 山東省自然科學(xué)基金(ZR2016BL14), 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目

? Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica