如果你經(jīng)常從事帆船、釣魚和攀巖運(yùn)動(dòng)，你一定知道“打結(jié)”是一項(xiàng)必不可少的技術(shù)，當(dāng)然，對(duì)經(jīng)常綁鞋帶的童鞋來(lái)說(shuō)也很重要。但是，當(dāng)我們談到在十億分之一米長(zhǎng)的帶狀DNA鏈打結(jié)，科學(xué)家們需要付出高度耐心和更多專業(yè)化操作。

來(lái)自亞利桑那州立大學(xué)的顏顥（Hao Yan）教授精通分子化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和納米技術(shù)，是該領(lǐng)域的著名專家。他的課題組最近在《Nature Communications》發(fā)表了一項(xiàng)新研究，描述了一種將單鏈DNA片段誘導(dǎo)成復(fù)雜二維和三維結(jié)狀結(jié)構(gòu)的方法。

這項(xiàng)研究結(jié)果是DNA納米技術(shù)（使用生命分子作為微型結(jié)構(gòu)的構(gòu)建材料）領(lǐng)域的一個(gè)重要進(jìn)展。

DNA納米技術(shù)的應(yīng)用包括微型機(jī)器人裝置、光子應(yīng)用、藥物輸送系統(tǒng)、邏輯門電路庫(kù)和診斷治療。

“我們的這項(xiàng)工作展現(xiàn)了DNA結(jié)狀結(jié)構(gòu)的前所未有的拓?fù)鋸?fù)雜性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了之前使用單鏈折疊所達(dá)到的水平，”Yan教授說(shuō)。“的確，單鏈DNA和RNA竟然可以穿過(guò)自身形成的環(huán)，然后找到構(gòu)成高度成結(jié)結(jié)構(gòu)的正確方式，這非常令人驚訝，讓一條單鏈穿過(guò)如此多的纏結(jié)！”

給DNA打結(jié)

新研究屬于DNA折紙（DNA origami）領(lǐng)域的一大創(chuàng)新，顧名思義，就是利用DNA和RNA等核酸來(lái)折疊和自組裝成其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)。DNA由4個(gè)字母組成，彼此執(zhí)行嚴(yán)格配對(duì)原則：C堿基對(duì)應(yīng)G堿基，A堿基對(duì)應(yīng)T堿基。

盡管DNA折紙自創(chuàng)立以來(lái)已經(jīng)取得了驚人的進(jìn)展，但這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新一直難以實(shí)現(xiàn)。直到現(xiàn)在，Yan教授等人開(kāi)辟了先河，以可預(yù)測(cè)和可編程的方式構(gòu)建DNA的復(fù)雜結(jié)狀結(jié)構(gòu)。

新研究允許1800-7500個(gè)核苷酸單鏈DNA（或RNA）片段形成9至57個(gè)交叉數(shù)（DNA穿入和穿出自身）的結(jié)狀納米結(jié)構(gòu)。

課題組進(jìn)一步證明，這些核酸納米結(jié)構(gòu)可以在實(shí)驗(yàn)室條件下和生物系統(tǒng)中加以復(fù)制和擴(kuò)展。

天然結(jié)

“結(jié)”廣泛存在于天然世界?？茖W(xué)家們?cè)趶?fù)制和轉(zhuǎn)錄過(guò)程中觀察到過(guò)DNA和蛋白質(zhì)的成結(jié)。然而，在納米尺度上構(gòu)建分子結(jié)，并顯示出明確和一致的幾何結(jié)構(gòu)，需要巨大的控制力和精度。核酸是理想的設(shè)計(jì)和合成這樣分子結(jié)的材料。

過(guò)去，研究人員利用短片段或“短鏈”將目標(biāo)雙鏈DNA固定在一起，新研究采用了一條長(zhǎng)鏈，通過(guò)精確的、預(yù)先編程的步驟讓它逐步包裹自己（單鏈法）。

一旦完成自我組裝，研究人員用原子力顯微鏡成像，通過(guò)仔細(xì)計(jì)算優(yōu)化折疊路徑，為每個(gè)合成結(jié)構(gòu)生成最高產(chǎn)率，從而允許以低成本提高單鏈和雙鏈DNA結(jié)構(gòu)產(chǎn)量。

單鏈法打開(kāi)了設(shè)計(jì)具有特定、定義明確功能的納米結(jié)構(gòu)的大門，可以通過(guò)連續(xù)幾輪體外進(jìn)化加以生產(chǎn)，在精煉過(guò)程中純化選擇期望屬性。此外，這還是一種設(shè)計(jì)空前復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)的新通用平臺(tái)，為納米光子學(xué)、藥物遞送、低溫冷凍電鏡分析和基于DNA儲(chǔ)存器方面的研究鋪平了道路。

創(chuàng)意大師——DNA和RNA

最開(kāi)始，Yan教授和同事們?cè)O(shè)計(jì)讓DNA在預(yù)設(shè)序列處穿過(guò)自身9次，證明了原理的可實(shí)施性。隨后，設(shè)計(jì)策略被擴(kuò)展到折疊RNA和三維DNA結(jié)，這些結(jié)構(gòu)再被冷凍透射電子顯微鏡技術(shù)重建，以確認(rèn)其是否被正確地折疊為所需的形狀。

“這項(xiàng)工作的其中一個(gè)挑戰(zhàn)是不斷提高高度打結(jié)的結(jié)構(gòu)的裝配產(chǎn)量，”Yan教授的同事Fei Zhang說(shuō)?！安煌诮?jīng)典的DNA納米結(jié)構(gòu)，單鏈法在精確折疊順序方面不太寬容。處理過(guò)程中如果出現(xiàn)一個(gè)交叉錯(cuò)誤，誤差將難以自校正，并且大部分錯(cuò)誤折疊將永遠(yuǎn)保留在已完成的結(jié)構(gòu)中。我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)分層折疊策略以指導(dǎo)正確成結(jié)。我們用不同的折疊路徑所產(chǎn)生的23個(gè)交叉比較了1個(gè)結(jié)點(diǎn)的折疊效率。原子力顯微鏡圖像顯示，通過(guò)優(yōu)化分層折疊路徑，優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)量可以從0.9%提高到57.9%?！?/p>

優(yōu)化折疊路徑的設(shè)計(jì)規(guī)則是基于目標(biāo)結(jié)構(gòu)的交叉點(diǎn)數(shù)目、DNA長(zhǎng)度和堿基對(duì)數(shù)目。首先，線性折疊路徑優(yōu)于分支路徑，其次，DNA鏈的未展開(kāi)部分在早期階段不可以穿過(guò)自身，最后，有3個(gè)交叉點(diǎn)的所需形狀邊緣應(yīng)該在有2個(gè)交叉點(diǎn)之前折疊。

遵循設(shè)計(jì)策略，團(tuán)隊(duì)能夠創(chuàng)造越來(lái)越復(fù)雜的具有更多交叉數(shù)的DNA結(jié)。

較長(zhǎng)的單鏈DNA對(duì)設(shè)計(jì)程序化納米結(jié)構(gòu)提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)椋M成該鏈的基因的非預(yù)期自互補(bǔ)可能性增加。這種技術(shù)可以生成含有57個(gè)交叉結(jié)的DNA結(jié)構(gòu)，但產(chǎn)率和精度較低。當(dāng)交叉結(jié)數(shù)量增加到67個(gè)時(shí)，產(chǎn)率差強(qiáng)人意，所得結(jié)構(gòu)用原子力顯微鏡成像顯示出更多組裝誤差。

目前，該技術(shù)組裝的最長(zhǎng)DNA鏈由多達(dá)7.5k個(gè)堿基組成，擁有最復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多達(dá)57個(gè)交叉區(qū)域。單鏈法適用于活細(xì)胞大規(guī)模生產(chǎn)，具有不同功能的DNA納米結(jié)構(gòu)可以自發(fā)在細(xì)胞內(nèi)形成。

原文檢索：Programming molecular topologies from single-stranded nucleic acids

來(lái)源：生物通