Biomimicry of Cellular Membrane with Framework Nucleic Acids†

doi:10.7503/cjcu20200251

Abstract

Abstract:

Biomimicry of cellular membrane is crucial for the study of cellular communications and transportation, and holds great potentials in various applications, including nanomedicine, nanopore based single molecule detection, cell imaging, drug delivery and cancer therapy. Owing to its ability to nanoscale precisely shape and manipulation, construction of framework nuclei acids(FNAs) provides a promising approach to bio-mimicking cellular membrane proteins and exploiting their functions and applications. In this review, we introduce the structure and imaging technology for FNAs as well as assembling methods for FNAs based artificial cellular membrane in recent years. In addition, the application fields as well as the existing opportunities and challenges of FNAs based biomimicry of cellular membrane are discussed.

Key words: Biomimicry, Cellular membrane, Framework nucleic acid, DNA nanotechnology

CLC Number:

O611
Q527

TrendMD:

YAN Lei, MAO Xiuhai, ZUO Xiaolei. Biomimicry of Cellular Membrane with Framework Nucleic Acids^†[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(7): 1415.

Figures/Tables 6

References 95

[1]	de Vries L., Zheng B., Fischer T., Elenko E., Farquhar M. G., Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol., 2000, 40, 235—271 doi: 10.1146/annurev.pharmtox.40.1.235 URL pmid: 10836135
[2]	Reitsma S., Slaaf D. W., Vink H., van Zandvoort M. A., oude Egbrink M. G., Pflugers. Arch., 2007, 454(3), 345—359 doi: 10.1007/s00424-007-0212-8 URL pmid: 17256154
[3]	Sezgin E., Levental I., Mayor S., Eggeling C., Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2017, 18(6), 361—374
[4]	Howorka S., Science, 2016, 352, 890—891 URL pmid: 27199400
[5]	Christ L., Raiborg C., Wenzel E. M., Campsteijn C., Stenmark H., Trends Biochem. Sci., 2017, 42(1), 42—56 URL pmid: 27669649
[6]	Mahmoudi M., Meng J., Xue X., Liang X. J., Rahman M., Pfeiffer C., Hartmann R., Gil P. R., Pelaz B., Parak W. J., del Pino P., Carregal-Romero S., Kanaras A. G., Selvan S. T., Biotechnol. Adv., 2014, 32(4), 679—692 URL pmid: 24361955
[7]	Lu N., Pei H., Ge Z. L., Simmons C. R., Yan H., Fan C. H., J. Am. Chem. Soc., 2012, 134(32), 13148—13151 URL pmid: 22809010
[8]	Seeman N., Nat. Biotechnol., 1999, 17(4), 11
[9]	Ye D. K., Zuo X. L., Fan C. H., Annu. Rev. Anal. Chem., 2018, 11(1), 171—195 doi: 10.1146/annurev-anchem-061417-010007 URL
[10]	Howorka S., Nat. Nanotechnol., 2017, 12(7), 619—630 URL pmid: 28681859
[11]	Ge Z. L., Gu H. Z., Li Q., Fan C. H., J. Am. Chem. Soc., 2018, 140(51), 17808—17819 URL pmid: 30516961
[12]	Qu X. M., Wang S. P., Ge Z. L., Wang J. B., Yao G. B., Li J., Zuo X. L., Shi J. Y., Song S. P., Wang L. H., Li L., Pei H., Fan C. H., J. Am. Chem. Soc., 2017, 139(30), 10176—10179 URL pmid: 28712291
[13]	Li J., Green A. A., Yan H., Fan C. H., Nat. Chem., 2017, 9(11), 1056—1067 doi: 10.1038/nchem.2852 URL pmid: 29064489
[14]	Lin M. H., Song P., Zhou G. B., Zuo X. L., Aldalbahi A., Lou X. D., Shi J. Y., Fan C. H., Nat. Protoc., 2016, 11(7), 1244—1263 doi: 10.1038/nprot.2016.071 URL pmid: 27310264
[15]	Wang S. P., Cai X. Q., Wang L. H., Li J., Li Q., Zuo X. L., Shi J. Y., Huang Q., Fan C. H., Chem. Sci., 2016, 7(4), 2722—2727 URL pmid: 28660047
[16]	Zhou G. B., Lin M. H., Song P., Chen X. Q., Chao J., Wang L. H., Huang Q., Huang W., Fan C. H., Zuo X. L., Anal. Chem., 2014, 86(15), 7843—7848 doi: 10.1021/ac502276w URL pmid: 24989246
[17]	Mao X. H., Li K., Liu M. M., Wang X. Y., Zhao T. X., An B. L., Cui M. K., Li Y. F., Pu J. H., Li J., Wang L. H., Lu T. K., Fan C. H., Zhong C., Nat. Commun., 2019, 10, 1395 URL pmid: 30918257
[18]	Mao X. H., Simon A. J., Pei H., Shi J. Y., Li J., Huang Q., Plaxco K. W., Fan C. H., Chem. Sci., 2016, 7(2), 1200—1204 doi: 10.1039/C5SC03705K URL
[19]	Chao J., Wang J. B., Wang F. N., Ouyang X. Y., Kopperger E., Liu H. J., Li Q., Shi J. Y., Wang L. H., Hu J., Wang L. H., Huang W., Simmel F. C., Fan C. H., Nat. Mater., 2019, 18(3), 273—279 URL pmid: 30397311
[20]	Liu W., Halverson J., Tian Y., Tkachenko A. V., Gang O., Nat. Chem., 2016, 8(9), 867—873 URL pmid: 27554413
[21]	Zhang F., Jiang S., Wu S., Li Y., Mao C., Liu Y., Yan H., Nat. Nanotechnol., 2015, 10(9), 779—784 doi: 10.1038/nnano.2015.162 URL pmid: 26192207
[22]	Jiang D. W., Ge Z. L., Im H. J., England C. G., Ni D. L., Hou J. J., Zhang L. H., Kutyreff C. J., Yan Y. J., Liu Y., Cho S. Y., Engle J. W., Shi J. Y., Huang P., Fan C. H., Yan H., Cai W. B., Nat. Biomed. Eng., 2018, 2(11), 865—877 URL pmid: 30505626
[23]	Tian Y., Zhang Y., Wang T., Xin H. L., Li H., Gang O., Nat. Mater., 2016, 15(6), 654—661 URL pmid: 26901516
[24]	Zhang Y. Y., Mao X. H., Li F., Li M., Jing X. X., Ge Z. L., Wang L. H., Liu K., Zhang H. J., Fan C. H., Zuo X. L., Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59(12), 4892—4896 doi: 10.1002/anie.v59.12 URL
[25]	Ko S., Liu H., Chen Y., Mao C., Biomacromolecules, 2008, 9(11), 3039—3043 URL pmid: 18821795
[26]	Walsh A. S., Yin H., Erben C. M., Wood M. J., Turberfield A. J., ACS Nano, 2011, 5(7), 5427—5432 doi: 10.1021/nn2005574 URL pmid: 21696187
[27]	Yin Y. W., Hu A. M., Sun Q. Q., Liu H. L., Wang Q., Zeng Y. H., Xu R. J., Hou Z. Z., Zhang Z. D., Zhang S. J., Zhou M. Q., Gene, 2012, 503(1), 25—30 doi: 10.1016/j.gene.2012.04.075 URL
[28]	Goodman R. P., Biotechniques, 2005, 38(4), 548—550 URL pmid: 15884672
[29]	Seeman N. C., J. Biomol. Struct. Dyn., 1990, 8(3), 573—581 doi: 10.1080/07391102.1990.10507829 URL pmid: 2100519
[30]	Benson E., Mohammed A., Gardell J., Masich S., Czeizler E., Orponen P., Hogberg B. J. N., Nature, 2015, 523(7561), 441—444 URL pmid: 26201596
[31]	Rothemund P. W., Nature, 2006, 440(7082), 297—302 URL pmid: 16541064
[32]	Liu X. G., Zhang F., Jing X. X., Pan M. C., Liu P., Li W., Zhu B. W., Li J., Chen H., Wang L. H., Lin J. P., Liu Y., Zhao D. Y., Yan H., Fan C. H., Nature, 2018, 559(7715), 593—598 URL pmid: 30013119
[33]	Douglas S. M., Marblestone A. H., Teerapittayanon S., Vazquez A., Church G. M., Shih W. M., Nucleic Acids Res., 2009, 37(15), 5001—5006 URL pmid: 19531737
[34]	Williams S., Lund K., Lin C., Wonka P., Lindsay S., Yan H., ; Ed.: Goel A., Simmel F. C., Sosik P., DNA Computing, Springer, Berlin, Heidelberg, 2009, 5347, 90
[35]	Jungmann R., Liedl T., Sobey T. L., Shih W., Simmel F. C., J. Am. Chem. Soc., 2008, 130(31), 10062—10063 doi: 10.1021/ja8030196 URL pmid: 18613687
[36]	Mathur D., Medintz I. L., Anal. Chem., 2017, 89(5), 2646—2663 URL pmid: 28207239
[37]	Dunn K. E., Dannenberg F., Ouldridge T. E., Kwiatkowska M., Turberfield A. J., Bath J., Nature, 2015, 525(7567), 82—86 URL pmid: 26287459
[38]	Ke Y., Sharma J., Liu M., Jahn K., Liu Y., Yan H., Nano Lett., 2009, 9(6), 2445—2457 URL pmid: 19419184
[39]	Urban M. J., Both S., Zhou C., Kuzyk A., Lindfors K., Weiss T., Liu N., Nat. Commun., 2018, 9(1), 1454 doi: 10.1038/s41467-018-03882-w URL pmid: 29654323
[40]	Langecker M., Arnaut V., Martin T. G., List J., Renner S., Mayer M., Dietz H., Simmel F. C., Science, 2012, 338(6109), 932—936 URL pmid: 23161995
[41]	Andersen E. S., Dong M., Nielsen M. M., Jahn K., Subramani R., Mamdouh W., Golas M. M., Sander B., Stark H., Oliveira C. L., Pedersen J. S., Birkedal V., Besenbacher F., Gothelf K. V., Kjems J., Nature, 2009, 459(7243), 73—76 URL pmid: 19424153
[42]	Ishida Y., Shimada T., Masui D., Tachibana H., Inoue H., Takagi S., J. Am. Chem. Soc., 2011, 133(36), 14280—14286 URL pmid: 21809841
[43]	Stulz E., Acc. Chem. Res., 2017, 50(4), 823—831 URL pmid: 28272871
[44]	Borjesson K., Lundberg E. P., Woller J. G., Norden B., Albinsson B., Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50(36), 8312—8315
[45]	Beales P. A., Vanderlick T. K., J. Phys. Chem. A, 2007, 111(49), 12372—12380 URL pmid: 17997531
[46]	Bunge A., Loew M., Pescador P., Arbuzova A., Brodersen N., Kang J., Dahne L., Liebscher J., Herrmann A., Stengel G., Huster D., J. Phys. Chem. B, 2009, 113(51), 16425—16434 doi: 10.1021/jp9067747 URL pmid: 19957915
[47]	Pfeiffer I., Hook F., J. Am. Chem. Soc., 2004, 126(33), 10224—10225 URL pmid: 15315417
[48]	Johnson-Buck A., Jiang S., Yan H., Walter N. G., ACS Nano, 2014, 8(6), 5641—5649 URL pmid: 24833515
[49]	Rodríguez-Pulido A., Kondrachuk A. I., Prusty D. K., Gao J., Loi M. A., Herrmann A., Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 2013, 52(3), 1008—1012
[50]	Kurz A., Bunge A., Windeck A. K., Rost M., Flasche W., Arbuzova A., Strohbach D., Muller S., Liebscher J., Huster D., Herrmann A., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2006, 45(27), 4440—4444 URL pmid: 16789049
[51]	Gromelski S., Brezesinski G., Langmuir, 2006, 22(14), 6293—6301 URL pmid: 16800689
[52]	Huang Y. F., Shangguan D., Liu H., Phillips J. A., Zhang X., Chen Y., Tan W., Chembiochem, 2009, 10(5), 862—868 URL pmid: 19253922
[53]	Shangguan D. H., Li Y., Tang Z., Cao Z. C., Chen H. W., Mallikaratchy P., Sefah K., Yang C. J., Tan W. H., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2006, 103(32), 11838—11843 doi: 10.1073/pnas.0602615103 URL pmid: 16873550
[54]	Song L., Jiang Q., Liu J., Li N., Liu Q., Dai L., Gao Y., Liu W., Liu D., Ding B., Nanoscale, 2017, 9(23), 7750—7754 doi: 10.1039/c7nr02222k URL pmid: 28581004
[55]	Zhang L. Q., Wang S., Yang Z. Y., Hoshika S., Xie S. T., Li J., Chen X. G., Wan S., Li L., Benner S. A., Tan W. H., Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59(2), 663—668
[56]	Li L., Chen X. G., Cui C., Pan X. S., Li X. W., Yazd H. S., Wu Q., Qiu L. P., Li J., Tan W. H., J. Am. Chem. Soc., 2019, 141(43), 17174—17179 URL pmid: 31539233
[57]	Xun K. Y., Pei K., Liu X. J., Peng X. Y., Du Y. L., Qiu L. P., Tan W. H., J. Am. Chem. Soc., 2019, 141(45), 18013—18020 doi: 10.1021/jacs.9b04725 URL pmid: 31626550
[58]	Han D., Li J., Tan W. H., Science, 2019, 365(6455), 754—755 doi: 10.1126/science.aay4198 URL pmid: 31439783
[59]	Song P., Ye D. K., Zuo X. L., Li J., Wang J., Liu H., Hwang M. T., Chao J., Su S., Wang L. H., Shi J., Wang L. H., Huang W., Lal R., Fan C. H., Nano Lett., 2017, 17(9), 5193—5198 URL pmid: 28771008
[60]	Beales P. A., Ciani B., Cleasby A. J., Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17(24), 15489—15507 doi: 10.1039/c5cp00480b URL pmid: 25805402
[61]	van Swaay D., deMello A., Lab Chip, 2013, 13(5), 752—767 URL pmid: 23291662
[62]	Wu F., Dekker C., Chem. Soc. Rev., 2016, 45(2), 268—280 doi: 10.1039/c5cs00514k URL pmid: 26383019
[63]	Franquelim H. G., Khmelinskaia A., Sobczak J. P., Dietz H., Schwille P., Nat. Commun., 2018, 9(1), 811 doi: 10.1038/s41467-018-03198-9 URL pmid: 29476101
[64]	Birkholz O., Burns J. R., Richter C. P., Psathaki O. E., Howorka S., Piehler J., Nat. Commun., 2018, 9(1), 1521 URL pmid: 29670084
[65]	Grome M. W., Zhang Z., Pincet F., Lin C., Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57(19), 5330—5334
[66]	Yang Y., Wang J., Shigematsu H., Xu W., Shih W. M., Rothman J. E., Lin C., Nat. Chem., 2016, 8(5), 476—483 URL pmid: 27102682
[67]	Zhang Z., Yang Y., Pincet F., Llaguno M. C., Lin C., X., Nat. Chem., 2017, 9(7), 653—659 doi: 10.1038/nchem.2802 URL pmid: 28644472
[68]	Wu N., Chen F., Zhao Y., Yu X., Wei J., Zhao Y. X., Langmuir, 2018, 34(49), 14721—14730 doi: 10.1021/acs.langmuir.8b01818 URL pmid: 30044097
[69]	Fu J., Oh S. W., Monckton K., Arbuckle-Keil G., Ke Y., Zhang T., Small, 2019, 15(26), 1900256
[70]	Maingi V., Burns J. R., Uusitalo J. J., Howorka S., Marrink S. J., Sansom M. S., Nat. Commun., 2017, 8, 14784 doi: 10.1038/ncomms14784 URL pmid: 28317903
[71]	Burns J. R., Seifert A., Fertig N., Howorka S., Nat. Nanotechnol., 2016, 11(2), 152—156 doi: 10.1038/nnano.2015.279 URL pmid: 26751170
[72]	Peng R. Z., Xu L., Wang H., Lyu Y., Wang D., Bi C., Cui C., Fan C. H., Liu Q., Zhang X. B., Tan W. H., Nat. Commun., 2020, 11(1), 978 doi: 10.1038/s41467-020-14739-6 URL pmid: 32080196
[73]	Liu P., Zhao Y., Liu X., Sun J., Xu D., Li Y., Li Q., Wang L., Yang S., Fan C., Lin J., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2018, 57(19), 5418—5422 doi: 10.1002/anie.201801498 URL pmid: 29528530
[74]	Majd S., Yusko E. C., Billeh Y. N., Macrae M. X., Yang J., Mayer M., Curr. Opin. Biotechnol., 2010, 21(4), 439—476 doi: 10.1016/j.copbio.2010.05.002 URL pmid: 20561776
[75]	Göpfrich K., Li C. Y., Ricci M., Bhamidimarri S. P., Yoo J., Gyenes B., Ohmann A., Winterhalter M., Aksimentiev A., Keyser U. F., ACS Nano, 2016, 10(9), 8207—8214 doi: 10.1021/acsnano.6b03759 URL pmid: 27504755
[76]	Liu C., Huang Z. K., Jiang W., Liu X. J., Li J., Han X. Y., Tu H. J., Qiu L. P., Tan W. H., Anal. Chem., 2020, 92(5), 3620—3626 doi: 10.1021/acs.analchem.9b04493 URL pmid: 32013394
[77]	Feng Q. M., Zhu M. J., Zhang T. T., Xu J. J., Chen H. Y., Analyst, 2016, 141(8), 2474—2480 doi: 10.1039/c6an00241b URL pmid: 26979920
[78]	Lacroix A., Edwardson T. G. W., Hancock M. A., Dore M. D., Sleiman H. F., J. Am. Chem. Soc., 2017, 139(21), 7355—7362 doi: 10.1021/jacs.7b02917 URL pmid: 28475327
[79]	Li S., Xu L., Ma W., Wu X., Sun M., Kuang H., Wang L., Kotov N. A., Xu C., J. Am. Chem. Soc., 2016, 138(1), 306—312 URL pmid: 26691742
[80]	Tay C. Y., Yuan L., Leong D. T., ACS Nano, 2015, 9(5), 5609—5617 doi: 10.1021/acsnano.5b01954 URL pmid: 25906327
[81]	Xie N., Huang J., Yang X., He X., Liu J., Huang J., Fang H., Wang K., Anal. Chem., 2017, 89(22), 12115—12122 doi: 10.1021/acs.analchem.7b02709 URL pmid: 29065680
[82]	He L., Lu D. Q., Liang H., Xie S., Luo C., Hu M. M., Xu L. J., Zhang X. B., Tan W. H., ACS Nano, 2017, 11(4), 4060—4066 doi: 10.1021/acsnano.7b00725 URL pmid: 28328200
[83]	Wang S., Xia M., Liu J., Zhang S., Zhang X., ACS Sens., 2017, 2(6), 735—739 URL pmid: 28723114
[84]	He L., Lu D. Q., Liang H., Xie S. T., Zhang X. B., Liu O. L., Yuan Q., Tan W. H., J. Am. Chem. Soc., 2018, 140(1), 258—263 doi: 10.1021/jacs.7b09789 URL pmid: 29211455
[85]	Zhou W., Liang W., Li D., Yuan R., Xiang Y., Biosens. Bioelectron., 2016, 85, 573—579 doi: 10.1016/j.bios.2016.05.058 URL pmid: 27236722
[86]	Song P., Shen J. W., Ye D. K., Dong B. J., Wang F., Pei H., Wang J. B., Shi J. Y., Wang L. H., Xue W., Huang Y. R., Huang G., Zuo X. L., Fan C. H., Nat. Commun., 2020, 11(1), 823 doi: 10.1038/s41467-020-14481-z URL pmid: 32041958
[87]	Yao G. B., Li J., Li Q., Chen X. L., Liu X. G., Wang F., Qu Z. B., Ge Z. L., Narayanan R. P., Williams D., Pei H., Zuo X. L., Wang L. H., Yan H., Feringa B., Fan C. H., Nat. Mater., 2019, doi: 10.1038/S41563-019-0549-3 doi: 10.1038/s41563-020-0699-3 URL pmid: 32541932
[88]	Liu Q., Ge Z. L., Mao X. H., Zhou G. B., Zuo X. L., Shen J. W., Shi J. Y., Li J., Wang L. H., Chen X. Q., Fan C. H., Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57(24), 7131—7135 doi: 10.1002/anie.v57.24 URL
[89]	Li J., Pei H., Zhu B., Liang L., Wei M., He Y., Chen N., Li D., Huang Q., Fan C. H., ACS Nano, 2011, 5(11), 8783—8789 doi: 10.1021/nn202774x URL pmid: 21988181
[90]	Kim K. R., Kim D. R., Lee T., Yhee J. Y., Kim B. S., Kwon I. C., Ahn D. R., Chem. Commun., 2013, 49(20), 2010—2012
[91]	Ding H. M., Li J., Chen N., Hu X. J., Yang X. F., Guo L. J., Li Q., Zuo X. L., Wang L. H., Ma Y. Q., Fan C. H., ACS Cent. Sci., 2018, 4(10), 1344—1351 doi: 10.1021/acscentsci.8b00383 URL pmid: 30410972
[92]	Wang P., Rahman M. A., Zhao Z., Weiss K., Zhang C., Chen Z., Hurwitz S. J., Chen Z. G., Shin D. M., Ke Y., J. Am. Chem. Soc., 2018, 140(7), 2478—2484 doi: 10.1021/jacs.7b09024 URL pmid: 29406750
[93]	Li M., Ding H., Lin M., Yin F., Song L., Mao X. H., Li F., Ge Z. L., Wang L. H., Zuo X. L., Ma Y. Q., Fan C. H., J. Am. Chem. Soc., 2019, 141(47), 18910—18915 doi: 10.1021/jacs.9b11015 URL pmid: 31691568
[94]	Ge Z. L., Guo L. J., Wu G. Q., Li J., Sun Y. L., Hou Y. Q., Shi J. Y., Song S. P., Wang L. H., Fan C. H., Lu H., Li Q., Small, 2020, 16(16), 1904857
[95]	Ma W. J., Zhan Y. X., Zhang Y. X., Shao X., Xie X. R., Mao C. C., Cui W. T., Li Q., Shi J. Y., Li J., Fan C. H., Lin Y. F., Nano Lett., 2019, 19(7), 4505—4517 doi: 10.1021/acs.nanolett.9b01320 URL pmid: 31185573