如果你經(jīng)常從事帆船、釣魚和攀巖運動，你一定知道“打結(jié)”是一項必不可少的技術(shù)，當(dāng)然，對經(jīng)常綁鞋帶的童鞋來說也很重要。但是，當(dāng)我們談到在十億分之一米長的帶狀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)、計算機科學(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)域的一個重要進展。

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

“我們的這項工作展現(xiàn)了DNA結(jié)狀結(jié)構(gòu)的前所未有的拓撲復(fù)雜性，遠遠超出了之前使用單鏈折疊所達到的水平，”Yan教授說?！暗拇_，單鏈DNA和RNA竟然可以穿過自身形成的環(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等核酸來折疊和自組裝成其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)。DNA由4個字母組成，彼此執(zhí)行嚴格配對原則：C堿基對應(yīng)G堿基，A堿基對應(yīng)T堿基。

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

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

課題組進一步證明，這些核酸納米結(jié)構(gòu)可以在實驗室條件下和生物系統(tǒng)中加以復(fù)制和擴展。

天然結(jié)

“結(jié)”廣泛存在于天然世界?？茖W(xué)家們在復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過程中觀察到過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)計和合成這樣分子結(jié)的材料。

過去，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鏈，通過精確的、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，通過仔細計算優(yōu)化折疊路徑，為每個合成結(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。

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

創(chuàng)意大師——DNA和RNA

最開始，Yan教授和同事們設(shè)計讓DNA在預(yù)設(shè)序列處穿過自身9次，證明了原理的可實施性。隨后，設(shè)計策略被擴展到折疊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，以確認其是否被正確地折疊為所需的形狀。

“這項工作的其中一個挑戰(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?！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。處理過程中如果出現(xiàn)一個交叉錯誤，誤差將難以自校正，并且大部分錯誤折疊將永遠保留在已完成的結(jié)構(gòu)中。我們開發(fā)了一個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個交叉比較了1個結(jié)點的折疊效率。原子力顯微鏡圖像顯示，通過優(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)計規(guī)則是基于目標(biāo)結(jié)構(gòu)的交叉點數(shù)目、DNA長度和堿基對數(shù)目。首先，線性折疊路徑優(yōu)于分支路徑，其次，DNA鏈的未展開部分在早期階段不可以穿過自身，最后，有3個交叉點的所需形狀邊緣應(yīng)該在有2個交叉點之前折疊。

遵循設(shè)計策略，團隊能夠創(chuàng)造越來越復(fù)雜的具有更多交叉數(shù)的DNA結(jié)。

較長的單鏈DNA對設(shè)計程序化納米結(jié)構(gòu)提出了獨特的挑戰(zhàn)，這是因為，組成該鏈的基因的非預(yù)期自互補可能性增加。這種技術(shù)可以生成含有57個交叉結(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個時，產(chǎn)率差強人意，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DNA鏈由多達7.5k個堿基組成，擁有最復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)和多達57個交叉區(qū)域。單鏈法適用于活細胞大規(guī)模生產(chǎn)，具有不同功能的DNA納米結(jié)構(gòu)可以自發(fā)在細胞內(nèi)形成。

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

來源：生物通