DNA分子瓦固有曲率和連接臂超螺旋的耦合調(diào)控DNA二維陣列的手性
DNA納米技術(shù)使用DNA分子搭建微納尺度的平面、管、梁、堡壘等各式各樣的靜態(tài)建筑或者剪刀、齒輪、機(jī)器等動態(tài)工具。DNA納米技術(shù)具有可編程設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，在三維空間中能精確定位單原子級基團(tuán)在納米結(jié)構(gòu)中的方位，其組裝出來的納米結(jié)構(gòu)形貌可控、產(chǎn)率高、穩(wěn)定性好、生物兼容性好，故DNA納米技術(shù)在DNA存儲和計(jì)算、藥物傳遞、生物傳感、生物大分子機(jī)器、和生物醫(yī)藥等應(yīng)用領(lǐng)域的研究正方興未艾地展開。
DNA納米技術(shù)構(gòu)建二維納米結(jié)構(gòu)可分解為基元結(jié)構(gòu)分子瓦（Tile）的編織（Weaving）和拼砌（Tiling，即連接分子瓦），DNA雙螺旋旋轉(zhuǎn)一周代表上升（或下降）10.5-bp(堿基對)的一個(gè)螺距，而將分子瓦在二維平面連接拼砌成陣列只有兩種方法，即分子瓦間的連接臂距離是偶數(shù)（Even）和奇（Odd）數(shù)個(gè)半螺距，分別稱為偶或奇拼砌（E-或O-Tiling）。Hao Yan教授等最先提出每一類DNA分子瓦具有固有曲率（Science 2003, 301, 1882），并解釋了偶拼砌的同面非漣漪（non-corrugation）排列因分子瓦固有曲率的累積傾向形成納米管，而奇拼砌的異面漣漪(corrugation）排列因分子瓦固有曲率的相互抵消傾向形成平面陣列，DNA分子瓦的固有曲率成功解釋了在二維空間將分子瓦拼砌成納米絲帶和納米管結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律。
但學(xué)術(shù)界對分子瓦的固有曲率沒有準(zhǔn)確和定量的描述，我們的工作對分子瓦構(gòu)象的立體結(jié)構(gòu)和曲率的定量描述進(jìn)行了探索。將128個(gè)堿基的小環(huán)DNA折疊成H或X-形狀的結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計(jì)了三種編織方法－經(jīng)向（longitudinal weaving, LW）、橋連經(jīng)向（bridged longitudinal weaving, bLW）、和橫向編織（transverse weaving, TW）－構(gòu)建LW、bLW、和TW三種分子瓦，并分別將它們拼砌成二維納米結(jié)構(gòu)。其中，bLW分子瓦呈現(xiàn)兩對頂角分別為120°和60°的X-形狀，bLW分子瓦的偶拼砌形成納米管，原子力顯微鏡的高分辨成像使得每根納米管可用晶體結(jié)構(gòu)的手性指數(shù)來進(jìn)行描述，利用手性指數(shù)和晶格常數(shù)能定量計(jì)算出管的周長和螺旋角等參數(shù)。我們將單個(gè)周期的DNA納米管到其橫截面的投影近似為正多邊形，并將該正多邊形外角定義為分子瓦的廣域曲率（global curvature）；另外通過生物素－鏈霉親和素（biotin-streptavidin）標(biāo)記技術(shù)可確定管的構(gòu)型和分子瓦的構(gòu)象。當(dāng)連接臂為正常的B-DNA結(jié)構(gòu)時(shí)，bLW分子瓦的構(gòu)象（或固有曲率）為左手手性；當(dāng)連接臂為左手超螺旋時(shí)，分子瓦的固有曲率和連接臂兩者的耦合形成左手手性的納米管；當(dāng)連接臂為右手超螺旋時(shí)，兩者耦合之扭力矩大者控制納米管的手性，據(jù)此模型，我們分別獲得了具有左右手手性的納米管。
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圖1. 偶拼砌bLW分子瓦時(shí)，DNA分子瓦固有曲率和連接臂超螺旋的耦合形成左右手手性的納米管。
該研究以“Regulation of 2D DNA Nanostructures by the Coupling of Intrinsic Tile Curvature and Arm Twist”為題近期在線發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. (DOI: 10.1021/jacs.1c13601)上，由我院肖守軍教授和紐約大學(xué)Nadrian C. Seeman教授課題組合作完成，我院博士生姜川、章煒、和碩士生魯標(biāo)為該論文的共同第一作者，肖守軍和紐約大學(xué)Yoel P. Ohayon教授為論文通訊作者。在論文送出發(fā)表之前，?Seeman教授仙逝，謹(jǐn)以此文祭奠Seeman教授。肖守軍感謝配位化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號：91753134, 21571100）的資助，Y.P.O.感謝the Office of Naval Research (N000141912596), the Department of Energy (DESC0007991), the National Science Foundation (2106790, 2107393), the Human Frontiers Science Program (RPG0010/2017) 的資助。
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論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c13601
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