自从沃森和克里克发现DNA双螺旋结构以后，骤然打开了分子生物学的大门。其中，DNA纳米技术的一个里程碑——DNA折纸术（Nature, 2006, 440, 297-302）的发明，即长单链DNA（ssDNA）借助数百条DNA短链折叠成指定的形状。虽然DNA折纸已被用于纳米材料（Science, 2014, 346, 1258361; Nature, 2018, 559, 593-598），但是组装具有可编程特性的大尺寸DNA结构（微米到毫米级）仍然面临巨大挑战，因而限制了其在光电子学和合成生物学中的应用。
目前，报道了两种构建微米级DNA结构的策略：（1）扩大以支架为初始原材料来构建更大的DNA折纸；（2）使用粘性末端内聚或平末端堆叠将单个折纸结构连接在一起。其中，每个微米级DNA结构一般需要一个或几个具有不同大小、形状和规定匹配规则的独特DNA折纸。因此，构建通用的亚微米级3D构建块，有助于构建微米级DNA物件。近日，美国亚利桑那州立大学的颜灏教授和上海交通大学的樊春海院士（共同通讯作者）等人报道了一种通用的“meta-DNA”（M-DNA）策略。利用该策略可使各种亚微米到微米级DNA结构自组装，其组装方式类似于纳米级简短DNA链的自组装。作者将带有几个未配对的DNA探针作为其自身碱基的六螺旋DNA折纸束用作M-DNA单元。该结构具有三个与传统短ssDNA寡核苷酸相似的特性。首先，M-DNA可以与其互补的M-DNA形成具有特定碱基对的键。M-DNA的碱基（M-碱基）是由一组十个核苷酸（nt）长的ssDNA突出端组成，该突出端是从M-DNA上特定位置延伸。同时，可以使用多达410个不同的序列对M-碱基进行编程，从而在互补的M-碱基对之间提供足够的正交相互作用。其次，M-DNA相对较硬，连续长度约为2μm（Nat.Nanotechnol., 2010, 5, 520; Nano Lett., 2011, 11, 5558-5563; ACS Nano, 2019, 13, 8329-8336）。从特定位置上除去一些链可增加局部的柔性，而这种可编程能使M-DNA形成不同的几何形状。最后，M-DNA是3D物体（420 nm×6 nm×6 nm），具有可用于杂交的3D排列M-碱基，因而能组装成1D、2D和3D结构。作者以左旋方式将M-碱基螺旋排列在M-DNA表面上，其扭曲度为660o，生成螺旋dsM-DNA。这种设计形成了左旋dsM-DNA，其转数分别为0、0.5、1和1.5，比例分别为9、41、48和2％。将扭转角从660o减小到180o，得到相应的左旋dsM-DNA，但其转数分布减少。将扭转角变为960o时，获得非常扭曲的右旋dsM-DNA。在单链M-DNA（ssM-DNA）的扭转角相同情况下，右旋dsM-DNA的螺旋扭曲度分布比左旋更高。作者使用300o和660o、左旋和右旋设计的粗体DNA模型、oxDNA组装成dsM-DNA，来研究不对称性。实验结果清楚显示了左旋和右旋设计之间的不对称性，以及300o和660o实验设计之间的不对称性。作者设计了具有42 nt柔性区域的M-结。将三个柔性M-DNA连接在一起形成Y-形，在AFM图像中可清晰看见M-Y结，夹角为120o。在刚性DNA替代柔性M-DNA后，形成T-形，夹角为90o，而刚性M-DNA几乎没有弯曲。该策略可用于设计X-形和K-形的M-结。通过组装三个柔性M-DNA和两个刚性M-DNA，构建了一个更复杂、长度为700 nm的M-DX tile。作者改进了带有粘性末端的M-Y结，其中每个M-DNA均包含三个片段：两个片段通过M-碱基对彼此配对形成Y-形结构，而带有粘性末端的另一片段在M-Y结处与互补粘性末端杂交，构建了由四个M-Y连接组成的DNA树状聚合物。作者使用六条56 nt的短链与其互补的M13支架杂交来连接M-DNA的5′和3′-端。没有柔性区域，刚性M-DNA会弯曲成圆形。将三个柔性区域嵌入M-DNA并调整其刚性链的长度，可创建任意形状的三角形。同样，具有四、五和六个柔性区域的环化M-DNA以形成正方形、五边形和六边形形状。作者测试了4个三角形M-DNA单体的11种可能组合。具有四个边到边连接的三角形的四面体边长约为140 nm。而六、八和十个三角形M-DNA边对边可连接形成三角形双锥、八面体和五边形双锥，所有多面体的边长均为140 nm。作者使用一种类型的M-DNA单元，通过改变M-碱基的位置和互补性构建了三种类型的线性阵列。首先，构建了一个并行的两层线性阵列，其中一个M-DNA单元并排排列在同一面上，该面偏移了其长度的一半。接着，构建了两种类型的2D M-SST阵列。对于2D-XY结构，两组互补的M-碱基分别沿着相对的螺旋1和2螺旋定位，使得M-DNA在X和Y方向上延伸，形成了带状结构，其宽度为100-200 nm，长度大于5 μm。对于2D-X结构，M-DNA仅在X方向上延伸，显示固定宽度420 nm和长度约1 μm，其中70-100个单元平行排列。这种微米级的结构可提供比单个DNA折纸更大的模板，并且能作为支架支撑无机或有机材料来构建功能性超材料。最后，作者证明了分层的链置换反应也适用M-DNA系统。在基于M-DNA的链置换反应（M-SDR）中，一个M-DNA（T1-R）与dsM-DNA结合由一个短M-DNA（T1）和一个长M-DNA（T2）组成，并替代T1而与T2结合，最后取代T1并形成T1-R:T2 dsM-DNA。DNA链置换反应发生在M-碱基的每个位点。不同于传统DNA链置换，M-DNA系统中的置换过程是不可逆的，因为在M-SDR期间缺乏M-碱基的自由迁移。该反应的动力学如图5b所示，当T1:T2在键合状态时，荧光被淬灭，信号低。当T1-R取代荧光T1链时，荧光信号增加。作者将动力学曲线拟合获得了M-SDR的速率常数，其为（1.7±0.3）×104 M-1 s-1，与tile置换反应的数量级相同。总之，作者介绍了一种组装亚微米和微米级DNA结构的M-DNA通用策略。M-DNA不仅是扩大的DNA，而且还具有自身的结构特性，可以自折叠成不同的目标形状。或许，该方法可用于在宏观规模上构建更多DNA物件。https://doi.org/10.1038/s41557-020-0539-8.![]()
名称：材料科学前沿
ID：MaterialFrontiers
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