DNA分子瓦固有曲率和连接臂超螺旋的耦合调控DNA二维阵列的手性

发布时间:2022-04-08浏览次数:10

DNA纳米技术使用DNA分子搭建微纳尺度的平面、管、梁、堡垒等各式各样的静态建筑或者剪刀、齿轮、机器等动态工具。DNA纳米技术具有可编程设计的优点,在三维空间中能精确定位单原子级基团在纳米结构中的方位,其组装出来的纳米结构形貌可控、产率高、稳定性好、生物兼容性好,故DNA纳米技术在DNA存储和计算、药物传递、生物传感、生物大分子机器、和生物医药等应用领域的研究正方兴未艾地展开。

DNA纳米技术构建二维纳米结构可分解为基元结构分子瓦(Tile)的编织(Weaving)和拼砌(Tiling,即连接分子瓦),DNA双螺旋旋转一周代表上升(或下降)10.5-bp(碱基对)的一个螺距,而将分子瓦在二维平面连接拼砌成阵列只有两种方法,即分子瓦间的连接臂距离是偶数(Even)和奇(Odd)数个半螺距,分别称为偶或奇拼砌(E-O-Tiling)。Hao Yan教授等最先提出每一类DNA分子瓦具有固有曲率(Science 2003, 301, 1882),并解释了偶拼砌的同面非涟漪(non-corrugation排列因分子瓦固有曲率的累积倾向形成纳米管而奇拼砌的异面涟漪(corrugation)排列因分子瓦固有曲率的相互抵消倾向形成平面阵列,DNA分子瓦的固有曲率成功解释了在二维空间将分子瓦拼砌成纳米丝带和纳米管结构的基本规律。

但学术界对分子瓦的固有曲率没有准确和定量的描述,我们的工作对分子瓦构象的立体结构和曲率的定量描述进行了探索。128个碱基的小环DNA折叠成HX-形状的结构,我们设计了三种编织方法经向(longitudinal weaving, LW)、桥连经向(bridged longitudinal weaving, bLW)、和横向编织(transverse weaving, TW构建LWbLW、和TW三种分子瓦,并分别将它们拼砌成二维纳米结构。其中,bLW分子瓦呈现两对顶角分别为120°60°X-形状,bLW分子瓦的偶拼砌形成纳米管,原子力显微镜的高分辨成像使得每根纳米管可用晶体结构的手性指数来进行描述利用手性指数和晶格常数能定量计算出管的周长和螺旋角等参数。我们将单个周期的DNA纳米管到其横截面的投影近似为正多边形,并将该正多边形外角定义为分子瓦的广域曲率(global curvature);另外通过生物素-链霉亲和素(biotin-streptavidin)标记技术可确定管的构型和分子瓦的构象。当连接臂为正常的B-DNA结构时,bLW分子瓦的构象(或固有曲率)为左手手性;当连接臂为左手超螺旋时,分子瓦的固有曲率和连接臂两者的耦合形成左手手性的纳米管;当连接臂为右手超螺旋时,两者耦合之扭力矩大者控制纳米管的手性,据此模型,我们分别获得了具有左右手手性的纳米管。

 

1. 偶拼砌bLW分子瓦时,DNA分子瓦固有曲率和连接臂超螺旋的耦合形成左右手手性的纳米管。

该研究以“Regulation of 2D DNA Nanostructures by the Coupling of Intrinsic Tile Curvature and Arm Twist”为题近期在线发表在J. Am. Chem. Soc. (DOI: 10.1021/jacs.1c13601)上,由我院肖守军教授和纽约大学Nadrian C. Seeman教授课题组合作完成,我院博士生姜川、章炜、和硕士生鲁标为该论文的共同第一作者,肖守军和纽约大学Yoel P. Ohayon教授为论文通讯作者。在论文送出发表之前, Seeman教授仙逝,谨以此文祭奠Seeman教授。肖守军感谢配位化学国家重点实验室和国家自然科学基金(项目编号:91753134, 21571100)的资助,Y.P.O.感谢the Office of Naval Research (N000141912596), the Department of Energy (DESC0007991), the National Science Foundation (2106790, 2107393), the Human Frontiers Science Program (RPG0010/2017) 的资助。

 

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c13601