Nature之后再突破，颜灏/樊春海院士Nature Chemistry：新型DNA折纸，改变DNA纳米技术世界！

小奇

2020-09-11

1953年，沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构，从那以后开启了分子生物学时代，使遗传学的研究深入到分子层次，帮助科学家们解开了一个又一个生命的奥秘，同时利用DNA的结构特性来进行构建和涉及复杂的纳米结构材料。

DNA折纸术的发明（Nature440, 297–302 (2006)）是DNA纳米技术上的一个里程碑，即一个长的单链DNA（ssDNA）借助数百条短的DNA短链折叠成指定的形状。DNA折纸已被用作纳米尺度的分子钉板，用于模板和模制纳米材料，以及携带用于靶向治疗的药物有效载荷。

但是，目前想要组装具有可编程特性的更大尺寸（微米到毫米级别）的DNA结构仍然具有挑战性。这限制了DNA折纸在光电子学（例如，超材料）和合成生物学（例如，人工细胞）中的应用。

目前，据报道有两种策略可以构建微米级的DNA结构。一种方法是以支架为原始材料继续增大成更大的DNA折纸。另一种方法是使用粘性末端内聚或平末端堆叠将单个折纸结构连接在一起。每一个微米级的DNA结构通常需要一个或几个不同大小、形状和规定的匹配规则的独特DNA折纸。

那能否先构建一个多功能的亚微米的3D构建块，从而进一步构建出微米尺度的DNA物件呢？

成果简介

鉴于此，美国亚利桑那州立大学颜灏教授、上海交通大学樊春海院士等人开发了一种通用的“元DNA”（M-DNA）策略，该策略允许各种亚微米到微米大小的DNA结构以类似于在纳米级水平上简单的短DNA链自组装的方式进行自组装。研究人员仅使用一种类型的DNA单元即可构建各种各样的静态和动态亚微米和微米尺度的DNA结构，这将打开光电子学（包括信息存储和加密）以及合成生物学领域。成果以题为“Meta-DNA structures”发表于Nature Chemistry上。

值得注意的是，颜灏教授和樊春海教授曾于2018年合作了关于以DNA折纸为模板制备复杂二氧化硅复合纳米材料，发表在Nature期刊上。

有何相似之处？

六螺旋DNA折纸束带有几个未配对的DNA探针作为其自身的“碱基”，被设计用作M-DNA单元。该结构具有三个与经典短ssDNA寡核苷酸相似的特性。

1）首先，M-DNA可以与其互补的M-DNA形成具有特定“碱基对”的“键”。M-DNA的碱基（M-碱基）由一组十个核苷酸（nt）长的ssDNA突出端组成，该突出端设计为从M-DNA上的特定位置延伸。M-碱基可以用多达410个不同的序列进行编程，这使得该结构能够在互补的M-碱基对之间提供足够的正交相互作用。

2）其次，M-DNA相对较硬，持续长度约为2μm。从选定的位置去除一些链可获得可调的局部柔韧性。这种可编程的灵活性和刚性使M-DNA可以形成不同的几何形状。

3）第三，M-DNA是3D物体（420 nm × 6 nm × 6nm），具有可用于杂交的M碱基的3D排列，这使得它们能够组装成1D、2D和3D结构。

图| DNA和M-DNA自组装策略

不同转数和不同手性的双链M-DNA

具有M碱基螺旋排列的两个互补M-DNA将自组装成双螺旋结构，该结构模仿了双螺旋DNA的构型。基于M-DNA，通过改变扭转角和将M碱基的分布手性，研究人员构建了具有不同转数和不同手性的双链M-DNA（dsM-DNA）。并使用了DNA的粗粒度计算模型来模拟dsM-DNA结构，并了解所获得的左手和右手结构的不同产量。

图|dsM-DNA的手性和表征

四两拨千斤！

此外，仅仅通过改变单个M-DNA的局部柔性及其相互作用，就能够构建从1D到3D的一系列亚微米或微米尺度的DNA结构，具有各种几何形状，其中包括元连接（M-连接）、元双交叉tiles（M-DX）、四面体、八面体、棱柱体以及六种紧密排列的晶格。组装结构的尺寸范围从几百纳米到几微米，其尺寸与先前使用各种DNA折纸构件所建造的微米结构相当。

图|M-连接和M-DX结构

图|自折叠、自连接的M-DNA结构和自组装的3D多面体

图|1D、2D和3D M-DNA微米级结构的自组装

可动态重新组合

除了静态的自组装DNA结构外，DNA纳米结构的另一个吸引人的特性是它具有可编程的动态重排能力。研究人员初步展示了通过基于M-DNA的层次链置换产生的动态反应，这显示了创建具有动态重新组合的微米级M-DNA结构以及编程M-DNA响应其环境变化的自组装行为的可能性。

在未来，可以使用M-DNA合理设计更复杂的电路、分子马达和纳米器件，并将其用于与生物传感和分子计算有关的应用中。这项研究将使建立动态的微米级DNA结构变得更加可行。

图|基于M-DNA的链置换

未来的一些发展可能会进一步改善M-DNA组装方法。例如：

1）目前，M-DNA的长度是420nm，则可以通过使用更长或更短的DNA支架分别产生更长或更短的M-DNA。

2）现在的M-DNA的形状是线性的，但也可以通过端到端的自连接将其制成圆形，三角形，矩形和其他多边形，或用于构建各种多面体和棱柱体。

3）此外，这里使用的M碱基是10nt ssDNA，这使最终结构变得多孔，则可以创建其他相互作用，例如较短的M碱基，形状互补性，i-基序（pH敏感）或光敏分子修饰的寡核苷酸，以建立更刚性或刺激响应的结构。

4）还可以使用M-DNA方法来模拟单链RNA或蛋白质折叠。通过改变M-DNA上的相互作用点，可以实现更复杂的折叠途径和构型。

小结：

综上所述，该研究演示了一种通用方法，仅使用一种类型的DNA单元即可构建各种各样的静态和动态亚微米和微米尺度的DNA结构。M-DNA不仅是扩增的DNA，它还具有其自身的结构特征，并且可以自折叠成各种目标形状。该方法可能潜在地用于在宏观规模上创建更多的DNA结构，并以可编程配置来定位功能组件。

期望引入M-DNA策略可以将DNA纳米技术从纳米级转变为微观级别。这将在亚微米和微米级别创建一系列复杂的静态和动态结构，从而能够在新的应用中使用它。例如，可以将其用作支架，以图案化比以前更大、更复杂的功能组件。这也可能导致更巧妙的和复杂的行为，以通过结合不同的基于M-DNA的层级链置换反应来模拟细胞或细胞成分。M-DNA自组装概念可能会完全改变结构DNA纳米技术的微观世界。

参考文献：

Yao, G., et al. Meta-DNA structures. Nat. Chem. (2020). 

https://doi.org/10.1038/s41557-020-0539-8