当前位置 : X-MOL首页行业资讯 › 利用CRISPR-Cas12a修剪DNA折纸结构

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 XiongChun 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。


如果篇首注明了授权来源,任何转载需获得来源方的许可!如果篇首未特别注明出处,本文版权属于 X-MOLx-mol.com ), 未经许可,谢绝转载!

化学/材料学中国作者研究精选
Springer Nature 2019高下载量文章和章节
《科学报告》最新环境科学研究
ACS材料视界
自然科研论文编辑服务
中南大学国家杰青杨华明
剑桥大学-
中国科学院大学化学科学学院
材料化学和生物传感方向博士后招聘
课题组网站
X-MOL
北京大学分子工程苏南研究院
华东师范大学分子机器及功能材料
中山大学化学工程与技术学院
试剂库存
天合科研
down
wechat
bug