剛?cè)岵壕€框式核酸納米結(jié)構(gòu)的骨架與關(guān)節(jié)
2019年7月25日，清華大學生命科學學院魏迪明分子設(shè)計課題組和美國普渡大學毛誠德課題組合作在《應用化學》（Angewandte Chemie）雜志上在線發(fā)表題為“基于分支結(jié)構(gòu)單元的線框式DNA納米結(jié)構(gòu)的自組裝”（Self-assembly of wireframe DNA nanostructures from junction motifs）的研究論文。
在納米尺度實現(xiàn)分子和納米材料單元的可控自組裝，從而獲得特定的組裝結(jié)構(gòu)與功能，是納米科學與技術(shù)的重要研究目標之一。DNA作為生物體內(nèi)重要的遺傳物質(zhì)，在納米尺度上構(gòu)建功能結(jié)構(gòu)研究方面具有得天獨厚的優(yōu)勢：具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、可編碼性、可操作性、好的生物相容性等等。經(jīng)過三十年的發(fā)展，尤其是近十年DNA折紙（scaffolded DNA origami）技術(shù)的提出，結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)蓬勃發(fā)展，展現(xiàn)出來強大的自組裝能力。DNA折紙術(shù)就像折一張紙一樣，使用上百條DNA短鏈（稱為訂書釘鏈）將一根長的DNA單鏈（稱為骨架鏈）折疊成各種各樣不同的形狀。但是由于受到骨架鏈長度的限制，所構(gòu)建的納米結(jié)構(gòu)尺寸也比較有限。另一方面，不依賴于骨架鏈的自組裝方法，如單鏈DNA結(jié)構(gòu)模塊（single-stranded tiles/bricks）方法的快速發(fā)展克服了這一問題，這一種思路已經(jīng)成功構(gòu)建出更大尺度甚至無限大的陣列結(jié)構(gòu)。線框式結(jié)構(gòu)作為納米材料中一大類非常重要的材料樣式，已經(jīng)被證明可以利用“DNA折紙”的思路成功構(gòu)建。但目前，利用不依賴于骨架鏈的方法構(gòu)建線框式結(jié)構(gòu)是一片亟待開發(fā)的新天地，仍存在非常大的研究開發(fā)空間。因此，簡單高效地利用不依賴于骨架鏈的方法構(gòu)建復雜的、大尺度的、具有可尋址性的二維和三維納米結(jié)構(gòu)是一個重要的研究方向。在該研究中，魏迪明課題組和毛誠德課題組因此共同開發(fā)出一種通用的不依賴于骨架鏈的構(gòu)建方法，成功設(shè)計出帶有多個結(jié)構(gòu)臂的分支結(jié)構(gòu)單元并構(gòu)建了一系列線框式結(jié)構(gòu)，如二維陣列結(jié)構(gòu)（2D arrays）、管狀結(jié)構(gòu)和多面體結(jié)構(gòu)。
左圖：用于構(gòu)建DNA線框式納米結(jié)構(gòu)的各種各樣的分支結(jié)構(gòu)單元；右圖：
由于同時具有一定的剛性和柔韌性，該結(jié)構(gòu)單元非常類似于一副雙節(jié)棍。
研究人員通過精巧地設(shè)計，使得分支結(jié)構(gòu)單元的每一個結(jié)構(gòu)臂均由兩條并置的雙螺旋DNA組成，從而使得結(jié)構(gòu)的剛性大大增加，剛性的結(jié)構(gòu)臂由相對柔性的關(guān)節(jié)相連成線框式網(wǎng)絡(luò)，因此適合于構(gòu)造具有空間復雜性的DNA納米材料。其次，由于構(gòu)建結(jié)構(gòu)的每條短鏈DNA具有不同序列，使得此類結(jié)構(gòu)具有可尋址性，能夠?qū)μ囟ㄎ稽c的序列進行設(shè)計和修飾，從而更好地服務于下游應用。該工作還進一步表明，通過插入單鏈或者雙鏈DNA的關(guān)節(jié)可以得到具有角度各異但大小形狀可控的孔隙的線框式結(jié)構(gòu)。正如文中的類比指出，樂高積木開發(fā)出了各種不同樣式的積木，使得模型搭建更加具有指向性。同樣的邏輯也適用于DNA模塊，相關(guān)研究人員相信更多的模塊種類也將使DNA納米材料更多樣、更準確和更具可控性以及功能性。
清華大學生命科學學院2015級博士研究生黃鍇為本文的第一作者。清華大學生命科學學院魏迪明研究員和普渡大學毛誠德教授為該文的共同通訊作者。清華大學醫(yī)學院向燁副教授和香港科技大學弭永利教授也在研究中做出重要貢獻。該研究獲得國家自然科學基金委、清華-北大生命科學聯(lián)合中心、清華大學結(jié)構(gòu)生物學高精尖中心等基金資助。
原文鏈接： https://doi.org/10.1002/anie.201906408
相關(guān)論文鏈接：
https://academic.oup.com/nar/article/44/16/7989/2460518
https://academic.oup.com/nar/article/45/6/3606/3044352
https://www.nature.com/articles/s41467-019-08647-7
https://doi.org/10.1039/C9NR03861B
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