适配体驱动DNA瓦片自组装- X-MOL资讯

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适配体驱动DNA瓦片自组装

作者：X-MOL 2023-09-14

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

程序化的DNA自组装是一种分子自组装的模型系统，通过该模型构建的纳米结构已被广泛地运用于纳米医学、新型材料、分子计算、生物传感以及纳米机器等领域。DNA自组装主要依赖以Watson-Crick作用为主的碱基互补配对作用，或非Watson-Crick配对（G-四链体、i-motif和三链体等）。拓展DNA自组装的驱动力类型，使之不受限于常规碱基对之间的相互作用，成为该领域研究的热点之一。近期，西南大学左华教授、李春梅教授与美国普渡大学毛诚德教授共同报道了一种新型策略：通过AMP的DNA适配体与腺嘌呤的作用，即适配体-配体作用驱动DNA瓦片自组装，得到几何结构确定的DNA纳米结构。这种驱动力不涉及经典的Watson-Crick碱基配对作用，为使用适配体进行程序化DNA自组装提供了新思路与潜在应用。

团队首先分析了AMP适配体的序列特征（图1a）：黄色方框里面为结合口袋，红色部分为AMP，其中仅有腺嘌呤和脱氧核糖部分插入结合口袋中，磷酸骨架暴露在外，不与适配体作用。根据这些特点，设计了两条能形成双链且包含AMP适配体的DNA链，命名为L-cA（图1b）。两条链的末端都是碱基A，A和其他碱基之间用碱基C分隔，作为柔性的连接部分。由于AMP适配体具有两个腺嘌呤结合位点，L-cA的两个碱基A能够识别结合口袋，通过适配体-配体的作用自发地聚集形成线性多聚体（图1c）。

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图1. AMP适配体驱动DNA线性结构的自组装。

由于单价L-cA的相互作用较弱，在此基础上，团队进一步引入了二价适配体的理念，设计了二价的DNA模块，即S-cA（图2a）。一分子S-cA中的末端两个碱基A能与另一分子S-cA的结合位点作用，自聚集形成以正方形为主的寡聚结构，并通过原子力显微镜和凝胶电泳进行了表征（图2c, d）。同时，为了将二价的AMP适配体作用力引入到传统的粘性末端介导的DNA自组装中，需要对二价AMP适配体-配体作用力与粘性末端作用力的强度进行对比。为此，设计了由具有不同长度的粘性末端自组装的DNA三角形结构，并通过凝胶电泳将它们的稳定性与S-cA自组装结构的稳定性进行比较（图2c, e）。团队发现，二价的适配体-配体作用力大致与2 bp长度的粘性末端作用力相当。

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图2. AMP适配体驱动的DNA四边形的自组装。

进一步研究表明，基于AMP适配体-配体结合作用可以编程DNA模块组装成规则的2D阵列。团队设计了两个类似的双链DNA模块（2D-a和2D-b）（图3a1, b1），每个双链DNA模块均包含：（1）一个AMP适配体结合口袋；（2）双链的左侧含有两个外延的碱基A；（3）双链的右侧含有4 nt的自互补的粘性末端。2D-a和2D-b均能通过二价适配体-配体作用以类似S-cA的方式组装成正方形结构（图3a2, b2），进而通过粘性末端作用进一步组装形成规则的2D阵列（图3a3, b3）。原子力显微镜成像清晰地展现了2D阵列的形成和规则排列（图3a4, a5, b4, b5）。

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图3. AMP适配体驱动的DNA二维阵列的自组装。

综上，研究团队开发了一种基于适配体-配体作用力进行DNA程序化自组装的新策略。它的独特之处在于，基于适配体-配体的结合力不同于传统的DNA碱基配对。该策略具备两个有趣且实用的特征：（1）为DNA纳米技术增加了一种新的工具；大量可供选择的适配体极大地扩展了DNA瓦片自组装驱动力的选择范围；（2）提供了一种由各类配体诱导调节DNA自组装的直接方法。由于识别不同分子的适配体可以通过筛选或设计获得，因此，基于适配体-配体作用驱动的DNA自组装理论上可以通过响应各种配体实现，这将为生物传感和工程化的动态、生物仿生系统提供相当有价值的设计思路和潜在应用。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，第一作者是西南大学药学院在读博士生张哲，通讯作者为西南大学左华教授、李春梅教授和美国普渡大学毛诚德教授，西南大学黄承志教授为本研究提供了重要的指导和帮助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

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AMP Aptamer Programs DNA Tile Cohesion without Canonical Base Pairing

Zhe Zhang, Jin Jin, Victoria E. Paluzzi, Zhuoer Jin, Yuandong Wen, Cheng Zhi Huang, Chun Mei Li*, Chengde Mao*, and Hua Zuo*

J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c06260

左华教授简介

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左华，西南大学药学院教授。2008年于韩国国立昌原大学取得博士学位，同年就职于西南大学，2014-2015年在美国普渡大学访问研究。

研究领域是核酸纳米技术、核酸药物、生物大分子相互作用、新型生物材料、纳米生物医学等。近年来，利用核酸纳米技术、化学合成等技术手段，在核酸结构设计及功能评价、核酸与客体分子（核酸、蛋白质、多肽、小分子等）互作等方面进行了系统研究，取得了系列创新性成果：（1）DNA和RNA的结构在识别核酸方面的异同；（2）核酸通过碱基错配、三链体、适配体-配体驱动的非经典Waston-Crick作用以及多价作用识别客体分子；（3）发展了核酸设计中的极简策略；（4）核酸适配体在凝血通路中的调控作用；（5）以DNA为骨架的多价抗原多肽、免疫检查点多价适配体激动剂及免疫作用。

成果发表在J Am Chem Soc、Angew Chem Int Ed、Anal Chem、Small、Adv Drug Deliv Rev、《科学通报》等权威学术刊物。获授权发明专利3项。参编“十三五”国家重点出版物出版规划项目软物质前沿科学丛书《核酸纳米技术》专业书籍一部。

https://www.x-mol.com/university/faculty/337376

李春梅教授简介

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李春梅，西南大学药学院教授，博士生导师。2013年博士毕业于西南大学，2011-2013年在美国University of Florida（佛罗里达大学）联合培养，2014-2016年为西南大学师资博士后。研究领域为化学与生物传感、肿瘤成像与治疗。主持国家自然科学基金青年基金、面上项目等国家级、省部级各类项目 10余项，以第一作者及通讯作者在 J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Biomaterials, Anal. Chem.等刊物发表SCI论文40余篇，论文被引近4000次，个人H因子33。授权国家发明专利1项，任Chinese Chem. Lett., JAT等期刊青年编委。

https://www.x-mol.com/university/faculty/49694

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：DNA之间的相互作用力研究广泛地应用在了纳米医学、新型材料、分子计算、核酸药物、生物传感以及纳米机器等领域。DNA通常依赖以Watson-Crick作用为主的碱基互补配对作用，或非Watson-Crick配对（G-四链体、i-motif和三链体等），进而自组装成功能化的DNA纳米结构。拓展DNA自组装的驱动力类型，使之不受限于常规碱基对之间的相互作用，成为该领域研究的热点之一。我一直在想，除了上述作用力之外的作用力还有哪些呢？我们近年来在核酸适配体方面做了较多研究，比如如何增加适配体与靶标之间的亲和力、如何理性设计（而不是筛选）适配体，适配体在凝血通路中的调控作用、适配体在免疫检查点中的应用。在这些研究过程中，我们发现了适配体-配体间的作用力可以用来驱动DNA自组装，进而开展了该项研究。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：为了能将适配体-配体作用力用于驱动DNA自组装，主要面临的挑战是（1）DNA的序列设计。适配体-配体的晶体结构能提供二者最为详细的结构信息，能为我们的设计提供最有用的信息，我们希望能有更多的晶体结构报道，因此希望结构生物学家能更多地关注这一领域。（2）适配体-配体作用力本身的稳定性。如果二者结合的亲和力本身就弱，那么它驱动的DNA自组装稳定性也会受影响，也会影响我们表征其稳定性的手段。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：如上，DNA纳米结构可以应用于纳米医学、新型材料、分子计算、核酸药物、生物传感以及纳米机器等领域。该研究成果开发的是一种基于适配体-配体作用力驱动DNA程序化自组装的新策略，因此，这一策略也能应用于上述领域。随着核酸适配体的种类不断增加，因此，不同的适配体-配体作用理论上都可以驱动对应的DNA自组装，进而得到功能性的DNA结构。尤其是从事生物传感和工程化的动态、生物仿生系统研究的企业或科研机构可以从中获得一些有价值的信息。

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