接连发表Nature Mater.,Nature Biotech.和3篇JACS，DNA纳米技术最新发展趋势

纳米人

2019-12-31

1. Nature Materials: 用单链DNA编程纳米粒子

自然界已经进化出在单个生物聚合物中编码信息的策略，以编程具有特征性化学计量、正交性和可重构性的生物分子相互作用。然而，用于编程分子反应或组装的合成方法通常依赖于使用多条聚合物链（例如，斑片状颗粒）。于此，上海交通大学樊春海院士和荷兰格罗宁根大学诺奖得主Ben L.Feringa等人展示了一种利用含有聚腺嘌呤（polyA）的单链DNA编码器来图案化具有价键类似物的胶体金纳米粒子的方法。

通过用交替的polyA/非polyA结构域编程每个编码器的顺序、长度和序列，研究人员合成了具有n价的可编程类原子纳米粒子（PANs），可用于组装一系列具有不同组成、大小、手性和线性的低配位胶体分子。此外，利用PANs的可重构性，研究人员展示了动态胶体键断裂和键形成反应、结构重排甚至布尔逻辑运算的实现。这种方法可能有助于生成响应性功能材料，以用于不同的技术领域。

Yao, G., Li, J., Li, Q. etal. Programming nanoparticle valence bonds with single-stranded DNAencoders. Nat. Mater. (2019) 

DOI: 10.1038/s41563-019-0549-3

https://doi.org/10.1038/s41563-019-0549-3

2. Nature Biotechnology：基于DNA的新型储存材料

DNA存储提供了大量的信息密度和超常的半衰期。近日，瑞士联邦理工Robert N. Grass与以色列Erlich实验室Yaniv Erlich的研究小组合作，开发了一种信息存储结构，其能够用于创造具有嵌入式储存的材料。研究人员设计了一种叫做“DNA-of-things”（DoT）存储体系结构来生产具有不变内存的材料。在DoT框架中，DNA分子记录数据，然后将这些分子封装在纳米二氧化硅珠中，这些二氧化硅珠被融合成各种材料，用于打印或铸造任何形状的物体。

首先，研究人员将DoT应用于三维打印斯坦福兔子（Stanford Bunny）的过程，其中包含一个45 kB的数字DNA蓝图以进行合成。研究人员合成了五代的兔子，每一代都是从上一代的记忆中合成的，没有额外的DNA合成或信息降解。为了测试DoT的可扩展性，研究人员将一段1.4MB的视频存储在有机玻璃眼镜镜片的DNA中，然后通过切除有机玻璃的一小块并对嵌入的DNA进行测序来获取它。DoT可以用于在医疗植入物中存储电子健康记录，在日常对象（隐写术）中隐藏数据，并制造包含自己蓝图的对象。它还可以促进自我复制机器的发展。

Julian Koch, SilvanGantenbein, Kunal Masania, et al. A DNA-of-things storage architecture to create materialswith embedded memory. Nature Biotechnology, 2019.

DOI: 10.1038/s41587-019-0356-z

https://www.nature.com/articles/s41587-019-0356-z

3. JACS：功能性DNA调控CRISPR-Cas12a传感器用于非核酸靶标诊断

除了其非凡的基因组编辑能力外，CRISPR-Cas系统由于其高碱基分辨率和等温信号放大能力，开辟了生物传感应用的新纪元。然而，已报道的CRISPR-Cas传感器大多只用于核酸的检测，对非核酸靶标的应用有限。为了充分发挥CRISPR-Cas传感器的潜力，扩大其在非核酸靶标检测和定量方面的应用，在此，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Yi Lu、南昌大学熊勇华、南京大学张晶晶等人报道了CRISPR-Cas12a传感器，它受功能性DNA（fDNA）分子（如对小有机分子和金属离子检测具有选择性的适体和DNA酶）的调控，传感器基于Cas12a依赖的报告系统，由Cas12a、CRISPR RNA(crRNA)及其两端标记有荧光团和猝灭剂的单链DNA底物(ssDNA-FQ)和fDNA分子组成，fDNA分子可以锁定Cas12a-crRNA的DNA激活剂，在没有fDNA靶标的情况下阻止Cas12a的ssDNA切割功能。

fDNA靶标的存在可以触发DNA激活剂的解锁，从而激活Cas12a对ssDNA-FQ的切割，增加可被商用便携式荧光计检测到的荧光信号。使用该方法，可以在环境温度(25°C)下使用简单快速的检测流程(两步，<15分钟)定量检测ATP和Na⁺，从而使fDNA调控的CRISPR系统适用于现场测试或护理点诊断。由于fDNAs可以识别多种目标，因此本研究所展示的方法可以将这种强大的CRISPR-Cas传感器系统显著扩展到许多其他目标，从而为CRISPR-Cas系统显著扩展到生物分析和生物医学应用的许多领域提供了一个新的工具。

Ying Xiong, Jingjing Zhang, Zhenglin Yang, etal. Functional DNA Regulated CRISPR-Cas12a Sensors for Point-of-CareDiagnostics of Non-Nucleic-Acid Targets, J. Am. Chem. Soc., 2019.

https://doi.org/10.1021/jacs.9b09211

4. JACS：DNA连接配体触发DNA损伤

DNA和RNA聚合酶沿其双链底物的易位导致DNA超螺旋。这种扭转应力会促进包括三向DNA连接(TWJ)在内的螺旋结构的形成，这些螺旋结构可以阻止DNA交换并导致DNA损伤。尽管细胞已经进化出多种机制来阻止这种结构的积累，但通过特定配体稳定TWJ，为高水平转录和复制的细胞(如癌细胞)触发DNA损伤提供了机会。

在此，法国勃艮第大学分子化学研究所David Monchau、巴黎萨克莱大学Anton Granzhan、图卢兹大学Sébastien Britton等人开发了一系列氮杂密码子基的TWJ配体，在体外详细表征了它们与TWJ的相互作用特性，并证明了它们在快速分裂人类癌细胞时触发DNA损伤的能力。同时还证明了TWJ配体在与DNA修复抑制剂结合后，可适用于化学诱导的合成致死策略，从而为癌症的创新药物组合铺平了道路。

Katerina Duskova, Pauline Lejault, ÉlieBenchimol, et al. DNA Junction Ligands Trigger DNA Damage and Are SyntheticLethal with DNA Repair Inhibitors in Cancer Cells. J. Am. Chem. Soc., 2019.

https://doi.org/10.1021/jacs.9b11150

5. JACS：DNA toehold开关编程药物释放动力学

尽管智能药物递送系统(DDSs)具有较高的递送效率和更好的化疗效果，但以可控的方式在靶向肿瘤细胞中精准释放药物仍然具有挑战性。在此，华东师范大学裴昊研究团队开发了DNA toehold开关工程球形核酸模板水凝胶(SNAgel)，用于靶向癌细胞中化疗(肿瘤杀伤)药物的现场主动爆发释放。

通过在杂交链式反应(HCR)产生的SNAgel上设计配体特异性的toehold序列，以及对动力学的主动动态控制，实现了有效载荷在60.52到5.49 min宽 t_1/2范围内的爆发释放。SNAgel以致密的DNA外壳伪装，能够在体内延长血液循环、靶向聚集、细胞进入和诱导凋亡。无论是在癌细胞系还是在荷瘤小鼠的异种移植瘤中，SNAgels的增强抗癌活性均得到证实。这种DNA工程的动力学控制方法为开发用于癌症治疗的DDSs模式转换提供了新思路。

Mingshu Xiao, Wei Lai, Fei Wang, et al.Programming Drug Delivery Kinetics for Active Burst Release with DNA ToeholdSwitches. J. Am. Chem. Soc., 2019.

https://doi.org/10.1021/jacs.9b10765