利用CRISPR-Cas12a修剪DNA折纸结构

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

DNA在生物体内承载着遗传信息。而在体外，研究人员另辟蹊径将DNA作为一种生物材料用来构建纳米器件。在构建DNA纳米器件的众多方法中，DNA折纸技术独树一帜。具体而言，DNA折纸技术是指将多条短链DNA和一条长链DNA混合后，控制体系温度，利用短链与长链之间的碱基互补配对，将长链折叠成预先设计的二维或三维结构。由于DNA链化学合成价格相对低廉，DNA结构能够耐受pH、离子浓度在一定范围内的变化，DNA折纸技术已经被应用在超分辨荧光成像、载药、催化等领域。

通常一个DNA折纸结构仅包含一条长链作为骨架，这种策略有利于单个折纸结构的形成和稳定，但同时也限制了结构动态变化的可能性。为构建动态可控的DNA纳米器件，以往的研究将多个折纸结构分别单独合成，再将不同的结构组合在一起。多步合成的策略时间成本较高，且产率较低。

最近，耶鲁大学Chenxiang Lin团队的Qiancheng Xiong和Chun Xie等人提出了利用CRISPR-Cas12a处理DNA折纸结构，合成可控纳米结构的方法。他们首先证实了CRISPR-Cas12a能够在无差别地水解DNA单链的同时，保证DNA双链及折纸结构的完整性（图1a）。接着，用DNA折纸术构建了一个“糖葫芦”状的结构（图1b）。并以此结构为基础，加入适当的互补DNA链，选择性地将环与杆之间的连接链由单链变为双链，从而特异性地控制CRISPR-Cas12a在折纸上的作用位点，使指定的环脱离杆。为进一步扩展该方法的通用性，他们又构建了轮烷折纸结构，并证实了CRISPR-Cas12a有效释放了轮烷中的环状结构（图2a）。同时，他们将此方法扩展到了U形折纸结构，U形折纸双臂之间单链的拉扯使折纸过度弯曲，在水解掉单链后，折纸的双臂所成角度显著增大（图2b）。这一策略展现了将DNA折纸结构作为储能器件的可能性。

图1. a) Cas12a选择性水解DNA单链; b) “糖葫芦”状折纸结构

图2. a) 轮烷折纸结构; b) U形折纸结构

鉴于CRISPR-Cas12a具有很好的生物相容性，同时DNA折纸结构作为一种有效的纳米尺度工具，Qiancheng Xiong和Chun Xie等人的方法可用于调控细胞膜或人工膜的形态，从而辅助研究膜转运机制；也可用于构建体内生物传感器件，通过细胞活动调控CRISPR-Cas12a活性，控制纳米器件的形态，从而达到检测或影响下游细胞功能的目的。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。

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）：

DNA origami post-processing by CRISPR-Cas12a

Qiancheng Xiong, Chun Xie, Zhao Zhang, Longfei Liu, John T. Powell, Qi Shen, Chenxiang Lin

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.201915555

Chenxiang Lin团队简介

Chenxiang Lin，耶鲁大学细胞生物学系副教授。2009年于亚利桑那州立大学获得博士学位，2009年至2012年在哈佛医学院从事博士后研究工作，2012年起就职于耶鲁大学。Lin团队致力于发展DNA纳米技术在基础生物学，合成生物学及分子机器开发中的应用。研究领域包括DNA纳米技术、DNA自组装诱导的生物大分子可控组装，基于DNA纳米结构的成像标记，以及用合成生物学手段阐释生物大分子相互作用机理。

https://medicine.yale.edu/profile/chenxiang_lin/

https://www.x-mol.com/university/faculty/56259

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：在DNA折纸中，往往有部分长链骨架没有参与形成结构，而成为一段“尾巴”。这段多余的单链会影响到在电子显微镜下对结构的观察，有时还会导致预料之外的结构聚集。因此我们希望找到一种修剪DNA折纸结构的方法。同时使用这种修剪的策略，可以更方便的构建复杂的动态折纸结构。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：一个较大的挑战在于寻找到一种合适的酶，可以在不破坏DNA折纸整体结构的情况下，高效地切割DNA单链。在试验了多种蛋白酶以及DNA自切酶后，我们认为Cas12a可以很好的达到目的。

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：DNA折纸作为一种纳米工具，可以与一些有机或无机材料研究领域，如磷脂膜、蛋白酶、纳米金等相结合，精细地控制纳米器件的排布或形态，构建仿生细胞系统、生物传感器、纳米导线等。