清華新聞網(wǎng)10月4日電 憑借著序列互補(bǔ)這一獨(dú)特的性質(zhì)，核酸分子在眾多生物大分子當(dāng)中脫穎而出，成為合成生物學(xué)中的研究熱點(diǎn)之一。以DNA為例，DNA分子中的四種組成A、T、C、G之間有著嚴(yán)格的匹配規(guī)則——Watson-Crick堿基互補(bǔ)配對(duì)（A與T配對(duì)，C與G配對(duì)）。這種堿基之間的匹配規(guī)則進(jìn)而造成了堿基序列與堿基序列之間的特異性識(shí)別，即序列互補(bǔ)。對(duì)于任意一條DNA單鏈而言，其互補(bǔ)鏈的序列是明確且唯一的；錯(cuò)誤匹配的序列會(huì)降低兩條鏈之間的結(jié)合速率，并使得最終形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性大大降低。基于DNA序列間的特異性識(shí)別，科研人員已經(jīng)大大拓展了對(duì)DNA的研究，不再單一地將其作為遺傳信息的載體，更是將其用作分子探針和分子機(jī)器人，使DNA分子在諸如藥物遞送、生物計(jì)算、疾病診斷、超分辨成像等眾多領(lǐng)域顯現(xiàn)出極其可觀(guān)的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，在DNA納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷探索中，人們對(duì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、靈活性及功能化等方面的認(rèn)識(shí)愈漸深入，相關(guān)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)得以不斷積累和豐富。
在DNA納米結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，研究人員一般通過(guò)設(shè)計(jì)粘性末端（sticky ends）來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)之間的識(shí)別。這些人工設(shè)計(jì)的粘性末端有著特定的長(zhǎng)度和序列，只有序列互補(bǔ)的兩個(gè)粘性末端之間才會(huì)形成完美的識(shí)別，從而引導(dǎo)DNA納米結(jié)構(gòu)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)組裝。理論上長(zhǎng)度為N（堿基數(shù)）的粘性末端可以形成4N種序列。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，粘性末端的長(zhǎng)度和序列通常會(huì)受到一定的限制，使得最終的特異性序列的種類(lèi)大大指數(shù)性降低。例如對(duì)四種堿基來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)度為2堿基的粘性末端只能形成42=16種互補(bǔ)對(duì)，長(zhǎng)度為1堿基的粘性末端只能形成41=4種互補(bǔ)對(duì)。如何在實(shí)際設(shè)計(jì)中優(yōu)化和提升粘性末端之間的識(shí)別能力已經(jīng)成為DNA分子研究的一大重點(diǎn)。
在該研究中，清華大學(xué)生命學(xué)院魏迪明課題組從中國(guó)傳統(tǒng)木工藝的榫卯結(jié)構(gòu)中獲得靈感，設(shè)計(jì)了全新的DNA粘性末端之間的識(shí)別方式——依賴(lài)幾何構(gòu)型的特異性識(shí)別。與依賴(lài)序列互補(bǔ)配對(duì)的識(shí)別方式不同，這種識(shí)別方式完全不依賴(lài)于序列的多樣性，而是基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多種幾何構(gòu)型之間的形狀契合而實(shí)現(xiàn)的。作者展示了即便在最極端的設(shè)計(jì)情景——粘性末端長(zhǎng)度僅為1堿基且堿基種類(lèi)只有C-G配對(duì)的情況下，依然可以實(shí)現(xiàn)將僅有的1種互補(bǔ)對(duì)提升為至少10種互補(bǔ)對(duì)，顯著地提高了DNA粘性末端之間的識(shí)別能力。
圖1.基于幾何構(gòu)型的DNA分子特異性識(shí)別。(A)依賴(lài)幾何構(gòu)型的特異性識(shí)別方式與依賴(lài)序列互補(bǔ)的特異性識(shí)別方式之間的對(duì)比。(B)在依賴(lài)幾何構(gòu)型的特異性識(shí)別方式中，只有當(dāng)兩個(gè)粘性末端之間滿(mǎn)足特定的幾何構(gòu)型要求時(shí)才會(huì)發(fā)生結(jié)合；當(dāng)兩個(gè)粘性末端之間沒(méi)有滿(mǎn)足特定的幾何構(gòu)型要求時(shí)，不會(huì)發(fā)生結(jié)合。
作者以簡(jiǎn)單的四臂分支型DNA納米結(jié)構(gòu)為模板，對(duì)其分支處的粘性末端進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過(guò)插入特定數(shù)量的堿基對(duì)使粘性末端的成鍵界面呈現(xiàn)出多種不同的幾何構(gòu)型。只有當(dāng)兩個(gè)末端相連使整體的幾何構(gòu)型滿(mǎn)足B型DNA的螺旋參數(shù)時(shí)，才會(huì)發(fā)生結(jié)合，否則這兩個(gè)末端不能發(fā)生穩(wěn)定結(jié)合。利用四臂分支型DNA納米結(jié)構(gòu)的二維自組裝結(jié)果來(lái)驗(yàn)證和分析依賴(lài)幾何構(gòu)型的特異性識(shí)別方式的可行性。隨后利用這種識(shí)別方式成功地實(shí)現(xiàn)了與設(shè)計(jì)預(yù)期嚴(yán)格相符的多種多樣的二維及三維組裝。
圖2.在四臂分支型DNA納米結(jié)構(gòu)中應(yīng)用依賴(lài)幾何構(gòu)型的DNA粘性末端。(A)四臂分支型DNA納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及二維自組裝活性。(B)依賴(lài)幾何構(gòu)型的DNA粘性末端的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。(C)粘性末端的成鍵界面呈現(xiàn)出多種不同的幾何構(gòu)型，展現(xiàn)出不同的組裝活性。只有當(dāng)兩個(gè)末端相連使整體的幾何構(gòu)型滿(mǎn)足B型DNA的螺旋參數(shù)時(shí)，才會(huì)發(fā)生二維組裝。
本研究拓展了DNA粘性末端的識(shí)別方式，建立了新的成鍵機(jī)制和調(diào)控方法，提升了DNA分子之間的識(shí)別能力，對(duì)今后高靈敏度、高精度DNA分子探針及分子機(jī)器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要的意義。
該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）完成，論文題目為“基于分子之間的幾何構(gòu)型識(shí)別方式設(shè)計(jì)特異的DNA粘性末端”（Design of orthogonal DNA sticky end cohesion based on configuration-specific molecular recognition），于9月30日發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2017級(jí)博士生張?zhí)烨鐬楸疚牡牡谝蛔髡呒肮餐ㄓ嵶髡撸瑥捻?xiàng)目構(gòu)思、具體實(shí)施到最后論文撰寫(xiě)其全程基本獨(dú)立完成，另一共同通訊作者為清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授魏迪明，其在項(xiàng)目立意和寫(xiě)作方面提供了協(xié)助。該研究得到科技部、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心等基金資助。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c07181
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
