精细调控DNA链置换反应和构建复杂DNA纳米装置的多功能Clip序列

DNA纳米技术是纳米技术的一个重要分支，基于碱基互补配对的高特异性和可编程性，DNA可以被设计成具有特殊功能的纳米装置，例如DNA电路和DNA机器人。目前，这些功能强大的DNA纳米装置已经在药物递送、靶向识别、光热治疗、生物成像、合成生物学等诸多生物医学领域中取得了广泛的应用，并逐渐成为未来医药技术的重要发展方向。

DNA链置换反应是构建各种DNA纳米装置的基础元件。其中，Toehold介导的DNA链置换反应的应用最为广泛。然而，目前可用于精细调节Toehold介导的DNA链置换反应的调控元件十分有限，而且它们的调控功能单一，严重限制了 DNA 纳米装置向结构更复杂、功能更强大的方向发展。

近日，华中科技大学肖先金（点击查看介绍）团队开发了一种新型DNA链置换反应调控元件：Clip。Clip元件集多种调控功能于一体，包括反应速率的精细调整、变构链置换、选择性激活和重置反应。新型调控工具为单链 DNA，分为入侵区域（I）、调控区域（R）和目标区域（T）。I 与部分入侵链互补，T 与目标 dsDNA 互补，R 是长度可调的区域。通过调节R区域的长度可以实现DNA链置换反应速率的精细调控。

图1.（a）“Clip”元件工作机制原理图；（b-e）“Clip”调控DNA链置换反应速率实验结果及动力学模型。

图2. Clip元件编程DNA walker的行走路径

利用Clip多功能的优势，课题组进一步构建了基于Clip元件的DNA步行机（DNA walker），实现可控行走和可编程路径的独特功能。此外，课题组还构建了基于Clip元件的 AND/OR 逻辑门并集成这些逻辑门，实现复杂的逻辑电路。查阅文献可知，课题组构建的 DNA 逻辑电路是第一个真正意义上可以重复计算、处理不同输入信号的 DNA 电路。

图3. 基于Clip的可重复运算的DNA逻辑电路

该课题组开发的新型DNA链置换反应调控元件“Clip”成功地对各种DNA纳米机器进行兼容，实现多种灵活且复杂的功能，可以极大拓展DNA纳米机器在核酸研究和医学领域的应用。

这一成果近期发表在ACS Nano 上，文章第一作者是华中科技大学学生刘理权、胡清漪和张温凯，华中科技大学肖先金教授是本文的唯一通讯作者。

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）：

Multifunctional Clip Strand for the Regulation of DNA Strand Displacement and Construction of Complex DNA Nanodevices

Liquan Liu, Qingyi Hu, Wenkai Zhang, Wenhao Li, Wei Zhang, Zhihao Ming, Longjie Li, Na Chen, Hongbo Wang, and Xianjin Xiao*

ACS Nano, 2021, DOI: 10.1021/acsnano.1c01763

研究团队简介

肖先金教授课题组自2016年成立以来，在生命科学领域内已发表多篇论文，建立了坚实丰厚的理论和技术基础。肖先金教授本、硕、博均毕业于北京大学，目前主持了国家自然科学基金青年项目、面上项目，湖北省重大科技攻关子课题等10余个项目，获得了中国新锐科技人物卓越影响奖、武汉市晨光计划、华中科技大学学术新人奖等人才奖励。入职五年来，发表第一作者/通讯作者论文30余篇，包括Nature Communications、Nucleic Acids Research等，总影响因子超过180。

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