The universal programmed construction of patterned periodic self-assembled nanostructures is a technical challenge in DNA origami nanotechnology but has numerous potential applications in biotechnology and biomedicine. In order to circumvent the dilemma that traditional DNA origami requires a long unusual single-stranded virus DNA as the scaffold and hundreds or even thousands of short strands as staples, we report a method for constructing periodically-self-folded rolling circle amplification products (RPs). The repeating unit is designed to have 3 intra-unit duplexes (inDP1,2,3) and 2 between-unit duplexes (buDP1,2). Based on the complementary pairing of bases, RPs each can self-fold into a periodic grid-patterned ribbon (GR) without the help of any auxiliary oligonucleotide staple. Moreover, by using only an oligonucleotide bridge strand, the GRs are connected together into the larger and denser planar nano-fence-shaped product (FP), which substantially reduces the number of DNA components compared with DNA origami and eliminates the obstacles in the practical application of DNA nanostructures. More interestingly, the FP-based DNA framework can be easily functionalized to offer spatial addressability for the precise positioning of nanoparticles and guest proteins with high spatial resolution, providing a new avenue for the future application of DNA assembled framework nanostructures in biology, material science, nanomedicine and computer science that often requires the ordered organization of functional moieties with nanometer-level and even molecular-level precision.

Abstract Tumor‐specific microRNA (miRNA) imaging strategies are critical for investigating mechanisms associated with cancer progression; however, nonspecific signal leakage and false‐positive signaling limit their selectivity and efficiency. In this paper, an endogenously activated and self‐reinforced DNA lipid nanodevice (LND) for spatial‐specific and high‐contrast imaging of miRNAs in living cells and animals is presented. The LND is functionalized on cholesterol‐based lipid micelles (CLMs) containing smart response and self‐fueling DNA components that display redox‐activatable and autocatalytic miRNA probing activities, respectively. The LNDs are initially silenced and selectively activated using glutathione, an endogenous microenvironmental factor overexpressed in tumor cells, to prevent nonspecific signal leakage. Subsequently, an autocatalytic DNA circuit is used for tumor‐specific and high‐contrast miRNA imaging. It is demonstrated that robust CLM nanoparticles can be easily assembled from a cholesterol‐conjugated G‐rich DNA sequence by stirring in a buffered solution, enabling the LND to enter cells naturally. In addition, in vitro and in vivo data illustrate that the enhanced biostability of DNA components on the surface of LNDs can be realized for minimizing false‐positive signals, making the system ideal for miRNA imaging in living mice. This smart LND technique has great potential for precise biomedical imaging and clinical diagnosis.

Accurate identification of cancer cells under complex physiological environments holds great promise for noninvasive diagnosis and personalized medicine. Herein, we developed dual-aptamer-based DNA logic-gated series lamp probes (DApt-SLP) by coupling a DNA cell-classifier (DCC) with a self-powered signal-amplifier (SSA), enabling rapid and sensitive identification of cancer cells in a blood sample. DCC is endowed with two extended-aptamer based modules for recognizing the two cascade cell membrane receptors and serves as a DNA logic gate to pinpoint a particular and narrow subpopulation of cells from a larger population of similar cells. DCC leverages a dual-receptor co-recognition strategy for enhanced specificity of cell identification by performing the matching operation between aptamer and receptor twice on cell membranes. SSA is a signal converter attached at the end of DCC that changes the cell identification process into detectable signals, as well as a signal amplifier to output amplified signals by using a simple and efficient hybridization chain reaction. Unique from those who are multicomponent systems, DApt-SLP is an all-in-one compact DNA nanodevice, exhibiting an enhanced nuclease-degradation resistance and targeting ability. In vitro feasibility, cell imaging, and flow cytometry analysis showed that the DApt-SLP system successfully operated under buffered solution and physiological environment and precisely differentiated the target cell from large populations of similar cells. Benefiting from its integrated design and single-step cancer cell identification with high sensitivity and accuracy, the DApt-SLP system is a practical tool in personalized medicine and biomedical engineering.