像织布一样“编织”DNA平面二维晶体结构

自20世纪80年代初，Seeman首次提出使用DNA链组装DNA纳米结构以来，结构DNA纳米技术已经得到了迅速而广泛的发展，并被用于生物传感、细胞成像、分子机器、药物输运、DNA计算机等诸多领域。DNA纳米结构的一个重要设计规则是尽可能减少机械应力，因为机械应力的增加常常导致结构产率下降。尽管如此，在某些时候机械应力也可以发挥积极的作用，例如它可以用于诱导DNA纳米结构的弯曲、扭转或其他特殊形态，甚至可以促进平面二维晶体的形成。

近日，武汉科技大学常帅团队、佐治亚理工学院与埃默里大学Yonggang Ke团队以及上海交通大学宋杰团队合作设计了一种新型编织构象的DNA网格结构。在传统的基于Holliday结的DNA网格结构中，相邻的Holliday结之间的长度必须为n（n = 1, 2, 3…）个整圈（full-turn，10.5 bp）的DNA双螺旋。在这种方式下，所有DNA螺旋都将以松弛的构象连接，由结的连接产生的约束会引起最少的机械应力。这种整圈网格设计会使得结构呈现一种两层的构象（图1a）：其中一组平行的DNA螺旋位于一个平面上，另一组平行的DNA螺旋位于另一个平面上。而对于新型DNA编织网格结构，相邻的Holliday结之间的长度为n-0.5（n = 1, 2, 3…）个整圈（full-turn，10.5 bp）的DNA双螺旋，且在每个结处存在一个缺口。这就使得DNA链可以上下交错从而导致结构呈一种编织的构象（图1b）。

图1. 传统DNA网格结构（a）和新型DNA编织网格结构（b）

在组装有限尺寸的DNA网格结构时，这种新型的DNA编织网格结构的产率比传统的DNA网格结构低许多，作者认为这是由于编织结构引入了机械应力，原子力显微镜（AFM）图像中观察到的DNA链的扭曲支持了这一猜想。同时，DNA编织网格结构的网格越小，结构的机械应力也越大。

更重要的是，在组装二维晶体的过程中，新型的DNA编织网格结构可以形成微米尺寸的平面二维晶体（图2），而传统的DNA网格结构通常只能形成纳米管。此外，通过改变网格的大小，可以调节平面二维晶体的尺寸和形状的规整性。具有较高机械应力的设计（较小的网格）可以形成形状更规则、边界更平滑且尺寸更小的二维晶体，这可能是由于这些结构中的能量更高。

图2. 新型DNA编织网格结构可以促进平面二维晶体的形成

这项工作重新审视了由Holliday结组成的DNA网格设计，并设计出一种新的DNA编织结构自组装策略。编织结构由于DNA螺旋的交织而具有更高程度的机械应力，这种机械应力可以促进平面二维晶体的形成。这些发现揭示了机械应力在组装DNA纳米结构中的新作用，可以帮助相关研究人员更全面地看待机械应力，并激发新的设计策略。

该成果近日发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是武汉科技大学博士研究生余蕾。

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）：

Stress in DNA Gridiron Facilitates the Formation of Two-Dimensional Crystalline Structures

Lei Yu, Jin Cheng, Dongfang Wang, Victor Pan, Shuai Chang*, Jie Song*, and Yonggang Ke*

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c02009

导师介绍

宋杰

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