DNA既是遗传信息的载体,也具备识别、催化以及组装等功能。DNA双螺旋结构具有固定的宽度和螺距,这种特性使得DNA成为天然的“建筑”材料。通过合理的设计可利用DNA制造复杂的二维、三维纳米结构,以及各种结构可变的DNA分子机器。但是这些纳米结构和分子机器由于缺乏实际功能,无法真正应用于生物传感、药物运输、纳米器件等关键领域,发展功能性的纳米结构以及分子机器成为DNA纳米材料领域一个重要的发展方向。严格的碱基互补配对原则为DNA的半保留复制和遗传信息的稳定传递提供了分子基础,保证亲代的遗传信息完整地传递给子代,使子代获得亲代的遗传性状。但是随着遗传学的发展,人们发现核酸在亲代传递给子代时,并不是一成不变的拷贝。由于外界环境的影响以及个体的差异,亲代和子代之间、子代和子代之间核酸的组成以及含量不是完全一致的,即异质性,这在个体、组织、甚至细胞水平中都广泛存在。长期以来基于统计平均的研究方法使得人们认为同一组织中的所有细胞是相同的,含有相同的DNA和RNA。但是单个细胞作为生命活动的基本功能单元,实际上并不是完全相同的。研究表明,单细胞的异质性广泛存在于生命活动中,特别是一些关键的生命过程,例如胚胎发育、干细胞分化、癌症的产生和发展等,细胞之间的异质性在这些过程中往往起着关键的作用。通过对单个细胞的DNA/RNA的测序,可以揭示单细胞的基因结构和基因表达状态,阐明细胞异质性发生的机制,在发育生物学、肿瘤研究、神经学、微生物学等关键领域发挥重要作用。基于核酸的纳米组装功能和遗传功能及其在单细胞中的异质性等关键问题,本论文开展了以下几个方面的研究:1.光控DNA单分子纳米剪刀的构建基于DNA分子严格的碱基互补配对原则,结合具有催化功能的DNAzyme和光敏调控分子偶氮苯,构建了一个光调控的功能性DNA纳米机器。该分子机器在光调控下具有对DNA底物分子的可控切割功能,被称之为“DNA单分子纳米剪刀”。在紫外光或者可见光的照射下,纳米剪刀分别处于打开或闭合状态,其剪切功能相应被激活或者抑制,实现对底物分子的可控剪切。这种时空可控的DNA纳米机器在纳米组装以及药物递送等方面有着潜在的应用。2.单细胞测序编码微球的合成为了提高单细胞测序的通量、降低单细胞测序的成本,人们发展了单细胞编码微球技术对单细胞DNA/RNA进行编码。我们利用拆分与混合法合成了单细胞编码微球文库,发展了新型微乳液数字PCR法进行编码微球的合成。拆分与混合法在DNA合成仪上利用5’到3’DNA合成试剂,经过12个循环的拆分与混合得到库容量大于一千万(412)的细胞编码文库,再进行分子编码和捕获序列的合成。该方法合成方法简单,文库容量大。微乳液数字PCR法将单个微球和单个细胞编码分子包裹在一个微反应液滴中进行单分子PCR扩增,一步即可完成细胞编码序列的扩增合成,通过连接反应进行分子编码和捕获探针的偶联,两步反应即可完成编码微球的合成。该合成方法步骤少、操作简单,只需合成一个简单细胞编码文库就可以合成制备庞大的编码微球文库,成本低廉,不需要DNA合成仪等大型仪器,只需要常规的PCR、连接反应就可以完成,具有更高的普适性。微乳液数字PCR法以水为分散介质具有三维网状结构的水凝胶作为微球的载体,该微球具有易修饰的优点,具有高比表面积的三维网状结构,可比实心结构的微球修饰更多的目标分子,并且具有良好的生物反应兼容性以及刺激响应的凝胶—溶胶转变特性等,大大提高了生化反应的效率。3.高通量单细胞转录组测序针对单细胞测序通量低、测序成本高的技术瓶颈,我们结合微流控与编码微球技术发展了的高通量单细胞测序平台。基于流体力学和尺寸效应,提出了高通量单细胞平行操控微流控平台,实现了高通量单细胞的平行操控,如单细胞捕获、分隔、裂解等;结合编码微球技术,实现了单细胞/单微球高效配对与编码;结合高通量测序技术,发展高通量单细胞测序新方法,实现只需单次测序即可完成大量单细胞测序,降低了单细胞测序的成本。