清華新聞網(wǎng)5月23日電 核酸納米結(jié)構(gòu)（DNA/RNA nanostructure）作為一種可靈活設(shè)計(jì)、可精確編碼、可準(zhǔn)確組裝的人工納米結(jié)構(gòu)，已在環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物計(jì)算、智能材料等眾多領(lǐng)域顯現(xiàn)出可觀(guān)的應(yīng)用前景。憑借著堿基之間嚴(yán)格精確的互補(bǔ)配對(duì)（A-T/U、C-G），核酸分子可通過(guò)其序列片段之間的匹配識(shí)別實(shí)現(xiàn)分子內(nèi)或分子間的結(jié)合，進(jìn)而得以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高階組裝，從而形成具有特定形貌、特定功能的納米結(jié)構(gòu)。
迄今為止，絕大多數(shù)核酸納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和組裝均是通過(guò)兩種主流的組裝策略來(lái)實(shí)現(xiàn)的——折紙結(jié)構(gòu)（origami）組裝策略和瓦片/磚塊（tiles/bricks）組裝策略，這兩種策略皆是依賴(lài)于對(duì)眾多條單鏈核酸分子之間組裝行為進(jìn)行復(fù)雜的操控。由于這兩種策略的實(shí)現(xiàn)都需要眾多核酸分子的參與，且與DNA相比，RNA的合成難度更大、步驟更繁瑣、成本更高，這就造成了在整個(gè)領(lǐng)域中DNA納米結(jié)構(gòu)的研究占絕對(duì)主流、RNA納米結(jié)構(gòu)較少報(bào)道的現(xiàn)狀。此前有研究報(bào)道了一種全新的核酸納米結(jié)構(gòu)組裝策略，旨在將單一一條核酸鏈進(jìn)行內(nèi)部的有序折疊（single-stranded Origami,ssOrigami），可以實(shí)現(xiàn)緊密堆積型核酸納米結(jié)構(gòu)的組裝?；诖朔N策略，清華大學(xué)生命學(xué)院魏迪明團(tuán)隊(duì)和免疫所、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院曾文文團(tuán)隊(duì)合作進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了一種全新的單鏈網(wǎng)格狀核酸納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)策略，該策略可以將單鏈DNA或者RNA作為構(gòu)筑單元，使其進(jìn)行多級(jí)折疊進(jìn)而組裝形成復(fù)雜的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
該研究從分子多級(jí)折疊出發(fā)，利用兩種核酸結(jié)構(gòu)模塊的穩(wěn)定性差異劃分了組裝步驟的先后順序。這兩種結(jié)構(gòu)模塊中，雙螺旋模塊的穩(wěn)定性較高，Branchedkissing loop（BKL）模塊穩(wěn)定性較低，自由能的差異造成了兩種模塊形成的先后順序，穩(wěn)定性較高的雙螺旋模塊先形成，之后穩(wěn)定性較低的BKL模塊再形成?；诖税l(fā)現(xiàn)，該研究中的ssOrigami組裝策略中，第一步折疊是由雙螺旋模塊的形成引發(fā)的，產(chǎn)物為一個(gè)包含了眾多莖環(huán)結(jié)構(gòu)（stem-loop）的前體結(jié)構(gòu)；在第二步折疊過(guò)程中，這些莖環(huán)結(jié)構(gòu)按照預(yù)期的設(shè)計(jì)相互之間進(jìn)行成對(duì)的識(shí)別并結(jié)合形成穩(wěn)定性稍弱的BKL模塊，使上一步折疊的前體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步組裝成完全體結(jié)構(gòu)。并且由于BKL模塊本身分枝狀的結(jié)構(gòu)特性，將其安置在C形狀的結(jié)構(gòu)單元拐角處時(shí)，BKL模塊的形成可以引導(dǎo)這些C形單元有序組裝成規(guī)則的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。通過(guò)這種組裝策略，研究人員成功設(shè)計(jì)了多種多樣的單鏈DNA和RNA納米結(jié)構(gòu)，這些納米結(jié)構(gòu)的正確組裝也進(jìn)一步驗(yàn)證了此策略的可行性和可靠性。
圖1.利用分級(jí)折疊策略指導(dǎo)單鏈DNA/RNA進(jìn)行折疊組裝。（A）分級(jí)折疊過(guò)程示意圖。（B）C形結(jié)構(gòu)模塊排布成預(yù)期網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)示意圖。（C-E）BKL結(jié)構(gòu)模塊示意圖
基于此組裝策略，研究人員接下來(lái)又初步探索了這種單鏈網(wǎng)格狀折紙結(jié)構(gòu)的功能化應(yīng)用。他們將一種具有代表性的功能化元件——RNA熒光適配體嵌入在RNA網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的特定位置，并用一段12bp的螺旋區(qū)域?qū)⑦m配體與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域化分隔，以保證功能化元件與網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的獨(dú)立折疊，降低了錯(cuò)誤折疊情況的發(fā)生概率。原子力顯微鏡和熒光顯微鏡表征結(jié)果都顯示了預(yù)期結(jié)構(gòu)的正確組裝和熒光活性，細(xì)胞熒光實(shí)驗(yàn)也表明該折疊策略在細(xì)胞內(nèi)的可適用性。該研究建立了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組裝策略，拓展了核酸納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間，對(duì)今后DNA和RNA納米結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。同時(shí)，功能RNA被引入到理性設(shè)計(jì)的二維和三維結(jié)構(gòu)之中，為RNA治療、RNA生物學(xué)賦予了新的可能性，并大大豐富了應(yīng)用前景。
圖2.功能化單鏈RNA網(wǎng)格狀納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。（A）兩種具有熒光活性的RNA網(wǎng)格狀納米結(jié)構(gòu)示意圖。（B）單分散性和可聚集性納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。（C-F）功能化單鏈RNA網(wǎng)格納米結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡和熒光顯微鏡表征結(jié)果
相關(guān)研究成果由清華大學(xué)生命學(xué)院魏迪明分子設(shè)計(jì)課題組（MADlab）和清華大學(xué)免疫所、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院曾文文課題組合作完成。論文以“單鏈網(wǎng)格狀核酸納米結(jié)構(gòu)的的程序化折疊”（Programmable in vitro and in vivo folding of single-stranded nucleic acid wireframe origami）為題，于5月22日發(fā)表于《化學(xué)》（Chem）期刊。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2017級(jí)博士畢業(yè)生張?zhí)烨绾突A(chǔ)醫(yī)學(xué)院2017級(jí)博士生錢(qián)鑫民為論文共同第一作者。張?zhí)烨?、曾文文、魏迪明為論文共同通訊作者。研究得到科技部、?guó)家自然科學(xué)基金委、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.04.023
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：李華山
審核：郭玲
