顧宏周課題組《Chem》全面評(píng)述由DNA酶推動(dòng)的 DNA 納米技術(shù)應(yīng)用的最新進(jìn)展
?DNA是由脫氧核糖核苷酸組成的大分子聚合物，具備較好的穩(wěn)定性和可編程性，已被廣泛作為一種通用型生物材料用于構(gòu)建各式各樣具有精確尺寸和特定形狀的納米結(jié)構(gòu)。另一方面，自上世紀(jì)90年代以來(lái)，生化學(xué)家發(fā)現(xiàn)DNA像RNA和蛋白質(zhì)一樣具備酶活性，可催化一系列化學(xué)反應(yīng)，包括在特定位點(diǎn)切割DNA或RNA。當(dāng)結(jié)構(gòu)和酶這兩種不同類型的DNA相遇時(shí)產(chǎn)生了一系列火花，一些新的研究領(lǐng)域有望因此而誕生。
經(jīng)典的DNA 納米結(jié)構(gòu)與具有切割DNA活性的脫氧核酶的比較。A. DNA 折紙形成穩(wěn)定的矩形結(jié)構(gòu); B. 具有莖-環(huán)-莖結(jié)構(gòu)的脫氧核酶在輔因子幫助下水解切割破壞DNA。
? 2021年9月3日，我院顧宏周課題組在Chem雜志在線發(fā)表了題為“DNAs catalyzing DNA nanoconstruction”的Perspective觀點(diǎn)文章，全面、深入地評(píng)述了由DNA酶（脫氧核酶）推動(dòng)的 DNA 納米技術(shù)應(yīng)用的最新進(jìn)展，并展望了兩種性質(zhì)截然不同的DNA之間潛在的進(jìn)一步融合可能性，及由此衍生的研究方向和熱點(diǎn)。
?在該文中，作者強(qiáng)調(diào)利用DNA構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)的核心在于設(shè)計(jì)一系列穩(wěn)定的交叉點(diǎn)（如Holliday Junction）將多個(gè)DNA雙螺旋單元綁定，然而這樣生成的DNA納米雖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但靈活性或動(dòng)態(tài)特性不足。DNA酶，尤其是核酸切割型DNA酶，感應(yīng)輔因子觸發(fā)切割反應(yīng)會(huì)極大地改變DNA的局部結(jié)構(gòu)。當(dāng)這一類型的DNA酶作為構(gòu)建單元集成到DNA納米結(jié)構(gòu)中時(shí)，組合體的動(dòng)態(tài)特性得到了提升和保障。近十年以來(lái)，研究者利用該策略成功組裝了一系列自驅(qū)動(dòng)型DNA納米機(jī)器人和智能響應(yīng)型DNA納米藥物載體。比如，致密紗線狀DNA納米膠囊結(jié)構(gòu)中可整合多種分子，包括腫瘤靶向的DNA適配體以及藥物小分子等；該膠囊結(jié)構(gòu)還可以防止整合的分子從內(nèi)到外泄漏，并作為屏障保護(hù)它們免受外部攻擊；通過(guò)將DNA酶作為分子開(kāi)關(guān)裝載在可靶向腫瘤細(xì)胞的DNA納米膠囊上，在腫瘤溶酶體酸性微環(huán)境下觸發(fā)DNA酶的自切割，從而引起DNA納米膠囊解體，可智能化地實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)釋放。
智能DNA納米膠囊可實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)釋放。酸性/溶酶體微環(huán)境刺激DNA酶自我切割，進(jìn)而導(dǎo)致DNA納米膠囊解體，釋放攜帶的藥物分子。
? 此外，作者指出隨著DNA納米技術(shù)越來(lái)越多的用于藥物遞送研究，降低DNA納米結(jié)構(gòu)的制備成本變得非常重要。目前，經(jīng)典的DNA化學(xué)合成技術(shù)已難以經(jīng)濟(jì)實(shí)惠地提供測(cè)試所需的克-公斤級(jí)的DNA原材料。近五年來(lái)，研究者成功開(kāi)發(fā)了一套借助噬菌體基因組存儲(chǔ)DNA納米結(jié)構(gòu)序列信息，并利用基因組中引入的DNA切割型DNA酶實(shí)現(xiàn)DNA納米結(jié)構(gòu)序列與噬菌體基因載體序列高效分離的生物技術(shù)。該技術(shù)可通過(guò)發(fā)酵擴(kuò)增噬菌體從而大量、高效制備DNA納米結(jié)構(gòu)。該生物合成制備DNA的策略能將DNA納米結(jié)構(gòu)的制備成本控制在千元每克，突破了DNA納米技術(shù)臨床測(cè)試中的DNA原材料難制備的障礙。
DNA酶輔助大規(guī)模制備DNA納米結(jié)構(gòu)。A. 由多條鏈構(gòu)成的DNA納米結(jié)構(gòu)的每條成分鏈可經(jīng)重組噬菌體擴(kuò)增放大，并由引入的DNA自切酶自動(dòng)從基因組中切割脫落；B. 經(jīng)A中策略制備的多鏈DNA納米結(jié)構(gòu)的電鏡表征；C. 多個(gè)一條鏈折疊成的DNA納米結(jié)構(gòu)可通過(guò)串聯(lián)的方式經(jīng)重組噬菌體一次性擴(kuò)增放大，并由引入的DNA酶以反式切割的方式可控地從基因組中選擇性切割脫落；D&E. 經(jīng)C中策略制備的單鏈DNA納米結(jié)構(gòu)的原子力顯微表征。
?進(jìn)一步地，文章還從多個(gè)方面展望了DNA酶和DNA納米技術(shù)可能產(chǎn)生的進(jìn)一步融合及對(duì)生命和材料科學(xué)的影響，包括：1）借助自切割型DNA酶的擺脫能力，以重組了DNA納米結(jié)構(gòu)序列的病毒感染細(xì)胞并進(jìn)行原位放大和組裝DNA納米結(jié)構(gòu)，從而規(guī)避溶酶體對(duì)外源型DNA納米結(jié)構(gòu)的清除；通過(guò)對(duì)細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的DNA納米結(jié)構(gòu)的編程，有望對(duì)細(xì)胞內(nèi)關(guān)鍵信號(hào)通路進(jìn)行干預(yù)和調(diào)控；2）通過(guò)試管內(nèi)定向進(jìn)化獲得更多可特異感應(yīng)特定生理?xiàng)l件，如感應(yīng)pH、金屬離子、腫瘤標(biāo)志物的DNA酶，并將其作為關(guān)鍵支撐單元構(gòu)筑到DNA納米結(jié)構(gòu)中，制備高度智能化的納米藥物載體；3）利用DNA納米結(jié)構(gòu)的剛性、支撐性，及作為可靠的參照物，輔助DNA酶的結(jié)構(gòu)解析，從分子水平上闡釋DNA酶的工作機(jī)理，為更好地設(shè)計(jì)并控制DNA酶奠定基礎(chǔ)；4）利用DNA納米結(jié)構(gòu)優(yōu)越的組裝特性，將不同功能的DNA酶有機(jī)整合在一起，構(gòu)建可自我驅(qū)動(dòng)、自我循環(huán)使用的納米機(jī)器人，為建立分子水平上的加工廠提供一種可靠的選擇。
DNA酶與DNA納米結(jié)構(gòu)進(jìn)一步融合的展望。A. DNA酶輔助DNA納米結(jié)構(gòu)在細(xì)胞內(nèi)原位組裝; B. 融合DNA酶的DNA納米載體實(shí)現(xiàn)高度智能的藥物遞送; C. DNA納米結(jié)構(gòu)輔助DNA酶結(jié)構(gòu)解析; D. 依托DNA納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并控制DNA酶的活性; E. 依托DNA納米結(jié)構(gòu)有機(jī)組合DNA酶，構(gòu)建可自我驅(qū)動(dòng)、自我循環(huán)使用的納米機(jī)器人。
?隨著交互研究的不斷開(kāi)展，DNA酶和DNA納米結(jié)構(gòu)的深度融合必將拓寬我們對(duì)DNA這樣一類生物大分子的認(rèn)識(shí)，使其在人類的進(jìn)化過(guò)程中發(fā)揮更重要的作用。
?據(jù)悉，復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院及附屬口腔醫(yī)院顧宏周研究員為本文的通訊作者，復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院2017級(jí)直博生李青婷為本文的第一作者。
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https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.08.008
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