2018-11-05 00:10:02
新的DNA纳米结构

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结是帆船,钓鱼和攀岩等人类活动不可或缺的工具(更不用说绑鞋)。但是,如果只有十亿分之一米的长度,那么在一条蕾丝状DNA链中打结,就需要耐心和高度专业化的专业知识。

亚利桑那州立大学的研究员郝妍在这个微妙而充满异国情调的领域中实践,在纳米技术和美术的十字路口经营。

在Nature Communications杂志上发表的一项新研究中,Yan和他的同事张飞,Xiaodong Qi等人描述了一种将单链DNA区段诱导成复杂的2-and-3-D打结结构的方法。

这一结果代表了DNA纳米技术快节奏领域的重要进展,其中生命分子被用作大量微小结构的结构建筑材料。其中包括微型机器人装置,光子应用,药物输送系统,逻辑门,以及诊断和治疗应用。

“在这项工作中展示的打结DNA结构表现出前所未有的拓扑复杂性,远远超出使用单链折叠之前所取得的成果,”Yan说。 “事实上,单链DNA和RNA可以穿过自己的链并找到形成这种高度结构的方法,这不仅令人惊讶而且令人惊讶,因为单链必须编织这么多的缠结“。

Yan负责生物设计分子设计和仿生学中心,是亚利桑那州立大学分子科学学院的Martin D. Glick杰出教授。

将DNA带入折叠

这项新研究涉及DNA折纸领域的创新,顾名思义,它使用DNA和RNA等核酸折叠并自组装成复杂的形式。这种情况发生在DNA的4字母字母表中的互补核苷酸碱基接触并结合时,根据严格的方案:C碱基总是与G配对,A碱基总是与T配对。

在自然界中,核酸串提供了制备复杂蛋白质所需的代码。这种基本生物学为所有尘世生活提供了基础。利用DNA的简单碱基配对特性,可以设计出在实验室中自组装的结构。该方法已应用于单链和双链DNA形式,导致纳米结构的复杂性和复杂性增加。

虽然DNA折纸自成立以来取得了惊人的进步,但一项技术创新却难以实现。到目前为止,研究人员已经无法以可预测和可编程的方式在DNA中创建复杂的打结结构。

这项新工作克服了这一障碍,建立了精确的设计规则,允许单链DNA片段(或RNA)在1800-7500个核苷酸范围内形成具有交叉数字的结状纳米结构(其中DNA链编织进出自身长度)从9到57不等。

该小组进一步证明,这些核酸纳米结构可以在实验室条件下和生命系统内复制和扩增。

大自然的结

像Yan那样制作的打结结构(但比合成的结构简单得多)在自然界中具有相关性。它们已在DNA和蛋白质中观察到,并且通常在复制和转录过程中形成(当DNA序列被复制到信使RNA中时)。它们也可以存在于感染细菌细胞的噬菌体 - 病毒的基因组中。

然而,纳米尺度的分子结的构造,显示出明确且一致的几何形状,需要巨大的控制和精确度。实际上,DNA等核酸非常适合这种分子结的设计和合成。

以前,双链DNA的长度已经用于纳米级结构,添加了短片或“短纤维束”以将所得结构紧固在一起。新研究使用单一长度的DNA设计,以精确的,预编程的步骤顺序包裹自身。

一旦打结的DNA纳米结构成功组装,就可以使用原子力显微镜对它们进行成像。仔细计算使研究人员能够优化折叠途径,从而为每种合成结构产生最高产量。使用单链而不是双链DNA可以以低得多的成本大量生产结构。

单链方法为具有特定的,定义明确的功能的纳米结构设计打开了大门,这些功能可以通过连续几轮体外进化产生,其中在重复的细化过程中选择所需的属性。此外,新研究中概述的方法为设计尺寸增大和前所未有的复杂性的分子结构提供了一个通用平台,为纳米光子学,药物递送,低温EM分析和基于DNA的记忆存储的进步铺平了道路。

设计师DNA(和RNA)

对于其中一个最初的结设计,Yan和他的同事开发的策略包括根据预编程序列将单链DNA或RNA穿过自身9次,证明新方法能够产生可编程的复杂几何形状,可复制和可扩展。

随后将设计策略扩展到包括单链RNA结构和3-D DNA结,其形式使用称为低温透射电子显微镜的技术重建,证实它们适当折叠成所需形状。

“这项工作的挑战之一是如何提高高度打结结构的装配产量。”费妃说。与传统的DNA纳米结构不同,由于拓扑复杂性,单链结在精确折叠顺序方面不太宽容。如果在过程中错误折叠单个交叉点,则错误将很难自我纠正,并且大多数错误折叠将保留在完成的结构中。 “我们开发了一种分层折叠策略来指导结的正确形成。我们通过使用不同的折叠路径来比较结的折叠效率与23个交叉点.AFM图像显示,从0.9开始,模型结构的折叠产量显着增加。通过应用优化的分层折叠途径,%到57.9%。“费补充道。

用于优化折叠途径的设计规则基于交叉点的数量,DNA的长度和设计结构中碱基对的数量。制定了三项主要规则。首先,发现线性折叠路径优于分支路径。其次,当链仍然很长时,DNA链的未折叠部分不应在早期阶段穿过自身。最后,具有三个交叉点的所需形状的边缘应在具有两个交叉的那些边缘之前折叠。

遵循设计策略,团队能够通过增加交叉数量创建更复杂的DNA结。

由于构成链的碱基的意外自补的可能性增加,单链DNA的较长链对设计程序化纳米结构提出了独特的挑战。 DNA结结构成功组装了57个交叉节点,但产量较低,精度较低。当交叉数增加到67时,产量显着下降,由AFM成像的所得结构显示出更多的装配误差。

该研究报告了迄今为止最大的DNA结,由多达7.5k的基础组成,具有最复杂的拓扑结构,具有多达57个交叉区域。单链DNA序列可以在活细胞中大量生产,以更低的成本获得更高的效率。最终,可以在细胞内形成具有不同功能的DNA纳米结构,在未来的工作中将要追求创新。

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