基于模块化动态单元的可编程和可重构DNA折纸

动态的DNA纳米技术在过去的二十年中取得了长足发展，人们设计出多种DNA Walker、DNA电路以及可重构的纳米机器。这些DNA纳米机器通常可以感知物理或化学的刺激，并以设定的方式转变构象。然而，大多数现有的DNA纳米机器被设计为以相对简单和特定的方式进行动态转换。发展一种能在单个DNA纳米机器中实现多种可控转变且更通用的设计策略仍然具有挑战性。近日，武汉科技大学的Shuai Chang 教授团队和佐治亚理工学院和埃默里大学生物医学工程系的Yonggang Ke团队合作设计出一种模块化DNA折纸，可以实现多种构象的可控可编程转变。这个研究项目由埃默里大学的Dongfang Wang博士主导完成。

DNA折纸是一种由长的单链DNA（骨架链）和数百条短的单链DNA（订书链）通过碱基互补配对原则组装成纳米结构的技术，近年来被广泛应用于诸如生物传感器、纳米机器人以及药物输运等方向。为了构建用于DNA纳米机器的通用平台，研究团队在DNA折纸中引入了模块化设计的概念。二维（2D）DNA折纸纳米结构被完全分为小的动态模块（图1），每个模块都可以进行独立的转变。作者称这种由可扩展模块组成的动态折纸结构为“模块化可扩展折纸结构（MEO）”。通过选择性地扩展MEO中模块的不同组合，可以控制DNA折纸转变为具有设定长度、曲率或扭转的各种构象。

图1. 模块化可扩展折纸结构的设计及示意图

MEO结构由19列×9行模块单元组成，每个模块单元包含一段26个碱基对的DNA双链以及骨架链中间的一段含10个碱基未配对的单链环，在体系中添加可与骨架链完全互补配对的36个碱基的膨胀链，就可以通过链置换反应替换掉原先26个碱基的订书链，进而使模块转变为36个碱基对的较长双链单元。

在MEO的每一行添加相同数量的膨胀链，可以将MEO转变为具有不同长度的结构；在MEO的每一行自上而下添加数量逐渐递减的膨胀链，可以将MEO转变为具有不同曲率的结构；在MEO的上下两侧引入膨胀链，就可以实现DNA结构扭转构象的变化。更重要的是，这些结构不仅可以通过一步反应得到，还可以通过多步反应连续地控制（图2）。AFM成像、琼脂糖凝胶电泳以及理论模拟计算都证实了以上转变过程。此外，通过使用粘性末端修饰的膨胀链和相应的互补链，可以实现构象之间的可逆转变。小型模块化动态单元设计还可应用于3D结构，他们同样实现了DNA折纸纳米管结构的长度及曲率调控，进一步证明了这一设计的普适性。

图2. MEO长度（a）、曲率（b）、以及扭转（c）构象的可控转换

这项工作成功的发展出了一个完全模块化的DNA折纸设计，通过链置换反应可以程序化地调控DNA折纸发生多种构象变化。与其他可重构DNA折纸相比，这种设计的主要优势是模块化，可以通过选择性地让DNA折纸中某些模块发生构象变化从而改变整体的构象。这种设计有望应用于复杂的纳米机器人和智能药物运输。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 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）：

Programmable Transformations of DNA Origami Made of Small Modular Dynamic Units

Dongfang Wang#, Lei Yu#, Chao-Min Huang, Gaurav Arya, Shuai Chang*, Yonggang Ke*

J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 2256–2263, DOI: 10.1021/jacs.0c10576