清華新聞網(wǎng)6月20日電 自然界的生物大分子的組裝與去組裝過(guò)程往往是受到多種元件來(lái)調(diào)控的，正因?yàn)閺?fù)雜精確的調(diào)控，有限種類(lèi)的單體分子才可以組織成復(fù)雜的形態(tài)而實(shí)現(xiàn)多種功能。典型的例子就是細(xì)胞骨架系統(tǒng)，僅由簡(jiǎn)單的微管蛋白和肌動(dòng)蛋白單體就可以組裝成復(fù)雜的微管和微絲網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)對(duì)維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能具有重要作用。因此實(shí)現(xiàn)響應(yīng)特定刺激的自組裝過(guò)程一直是研究人員熱衷的方向，而如何在人工合成的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于自然界的刺激響應(yīng)系統(tǒng)一直也是具有挑戰(zhàn)的話(huà)題。在自組裝的領(lǐng)域中，DNA納米技術(shù)尤其是DNA折紙術(shù)創(chuàng)造出了各種各樣具有高度可編程性和復(fù)雜度的核酸結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，人們已經(jīng)可以利用DNA折紙技術(shù)實(shí)現(xiàn)一些響應(yīng)性自組裝的過(guò)程。在本研究中，本文作者以三螺旋為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)三元相互作用，其中第三元作為刺激信號(hào)元素來(lái)引發(fā)自組裝過(guò)程從而實(shí)現(xiàn)響應(yīng)特定刺激的自組裝。
清華大學(xué)生命學(xué)院魏迪明副教授課題組與湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院邢航教授團(tuán)隊(duì)合作，基于DNA三螺旋結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建三元作用體系，三螺旋中三條鏈通過(guò)寡聚嘌呤和寡聚嘧啶鏈之間的Watson-Crick堿基互補(bǔ)配對(duì)和兩條寡聚嘌呤之間的反平行Hoogsteen堿基配對(duì)形成復(fù)合物。與之前報(bào)道的多種二元作用不同，這個(gè)三元作用體系由三個(gè)獨(dú)立的元件（A，B和C）組成，分別用三螺旋的三條鏈來(lái)代表。如圖1所示，C鏈作為獨(dú)立于整個(gè)體系之外的刺激信號(hào)來(lái)介導(dǎo)A鏈和B鏈之間的相互作用。
圖1.基于DNA三螺旋的三元作用力
驗(yàn)證想法的可行性，研究者首先在簡(jiǎn)單的DNA結(jié)構(gòu)中進(jìn)行驗(yàn)證并優(yōu)化出最佳的DNA三螺旋形成條件，接著又將優(yōu)化的三螺旋結(jié)構(gòu)用于介導(dǎo)DNA折紙結(jié)構(gòu)的高級(jí)結(jié)構(gòu)組裝。通過(guò)對(duì)DNA折紙結(jié)構(gòu)單體價(jià)態(tài)的調(diào)控，作者先是得到了長(zhǎng)度逐漸增加的納米纖維結(jié)構(gòu)，當(dāng)價(jià)態(tài)進(jìn)一步提高之后，作者又觀(guān)察到了一些其他的高級(jí)結(jié)構(gòu)，如二維分枝結(jié)構(gòu)和三維堆疊結(jié)構(gòu)（圖2）。
圖2. 基于DNA折紙結(jié)構(gòu)的三元相互作用。通過(guò)改變作用位點(diǎn)的數(shù)目實(shí)現(xiàn)DNA折紙結(jié)構(gòu)價(jià)態(tài)的精確調(diào)控，組裝出越來(lái)越長(zhǎng)的納米纖維結(jié)構(gòu)。當(dāng)價(jià)態(tài)進(jìn)一步增加又可以得到更多的高級(jí)結(jié)構(gòu)
作者進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于三螺旋結(jié)構(gòu)的正交反應(yīng)體系，兩組獨(dú)立的三螺旋序列被設(shè)計(jì)出來(lái)并通過(guò)熒光標(biāo)記和結(jié)構(gòu)光成像的方法證實(shí)了該正交反應(yīng)體系可以對(duì)特定的信號(hào)輸入產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)（圖3）。這也是明顯優(yōu)于此前報(bào)道過(guò)的基于pH刺激響應(yīng)的三螺旋介導(dǎo)DNA折紙結(jié)構(gòu)組裝策略的地方，在pH響應(yīng)系統(tǒng)中，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)多種信號(hào)的特異性響應(yīng)。
圖3. 基于三螺旋的選擇性信號(hào)系統(tǒng)。在不同的信號(hào)輸入下形成不同的結(jié)果，借助熒光標(biāo)記和結(jié)構(gòu)光成像，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)果的可視化。沒(méi)有任何輸入的情況下，兩種結(jié)構(gòu)都保持單體，只能觀(guān)察到分散的紅色和綠色光點(diǎn)；在任意一種輸入下，可以觀(guān)察到一種顏色的短棒狀結(jié)構(gòu)和另外一種點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)兩種輸入都存在時(shí)，可以看到兩種顏色的棒狀結(jié)構(gòu)
為了擴(kuò)展該三元作用體系的應(yīng)用，研究者還成功地將該方法用于介導(dǎo)細(xì)菌的自組裝，這也是首次報(bào)道的三螺旋介導(dǎo)的細(xì)菌相互作用。研究者先通過(guò)代謝標(biāo)記的方法使得細(xì)菌表面帶有疊氮基團(tuán)并借助點(diǎn)擊化學(xué)的方法在細(xì)菌表面修飾上所需的DNA。最后在第三條鏈的作用下，細(xì)菌出現(xiàn)了明顯的聚集性行為，通過(guò)共聚焦熒光顯微的方法，成功表征了細(xì)菌的聚集行為（圖4）。
圖4. DNA三螺旋介導(dǎo)的細(xì)菌組裝過(guò)程。（A）通過(guò)代謝標(biāo)記和點(diǎn)擊化學(xué)的方式在細(xì)菌表面標(biāo)記DNA。（B）三螺旋介導(dǎo)的細(xì)菌自組裝示意圖。（C）三螺旋介導(dǎo)的細(xì)菌自組裝共聚焦顯微鏡圖像結(jié)果
總的來(lái)說(shuō)，本研究提出了新的三元作用的形式并借助DNA三螺旋實(shí)現(xiàn)了三元相互作用，研究者成功應(yīng)用三元作用調(diào)控DNA納米結(jié)構(gòu)和細(xì)菌的自組裝過(guò)程，證實(shí)了該作用形式從納米尺度到微米尺度都具有適用性。該研究是刺激響應(yīng)性自組裝的一個(gè)有意義的新概念嘗試，對(duì)復(fù)雜精準(zhǔn)的天然和人工自組裝體系的機(jī)理闡釋有啟示意義，特別來(lái)說(shuō)，也對(duì)人工細(xì)胞交互的動(dòng)態(tài)調(diào)控也提供了一個(gè)實(shí)踐路線(xiàn)，將有可能進(jìn)一步被開(kāi)發(fā)成為抗菌的新思路。
該成果由清華大學(xué)生命學(xué)院魏迪明副教授分子設(shè)計(jì)課題組（MADlab）和湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院邢航教授課題組合作完成，論文題目為“使用可編程的DNA三元相互作用實(shí)現(xiàn)合成結(jié)構(gòu)的可控自組裝”（Controllable assembly of synthetic constructs with programmable ternary DNA interaction），于6月17日發(fā)表于《核酸研究》（Nucleic Acid Research）上。
清華大學(xué)生命學(xué)院2019級(jí)博士生崔黃陳、2017級(jí)博士生張?zhí)烨?，湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士生孔玉涵為本文的共同第一作者，張?zhí)烨绾颓迦A大學(xué)生命學(xué)院魏迪明副教授，湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院邢航教授共同為本文的通訊作者。該研究得到科技部，國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖中心等基金資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1093/nar/gkac478
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：呂婷
