DNA折纸的新转折元DNA结构改变了DNA纳米技术世界

由 ASU 分子科学学院 Milton Glick 教授、ASU 生物设计研究所分子设计与仿生学中心主任 Hao Yan 领导的来自 ASU 和上海交通大学 (SJTU) 的科学家团队刚刚宣布创建一种新型的元 DNA 结构，将开辟光电子学(包括信息存储和加密)以及合成生物学领域。

这项研究今天发表在《自然化学》上——确实，元 DNA 自组装概念可能会彻底改变结构 DNA 纳米技术的微观世界。

众所周知，Watson-Crick 碱基配对的可预测性质和 DNA 的结构特征使 DNA 能够用作设计复杂纳米级结构和设备的通用构件。

“DNA 技术的一个里程碑无疑是 DNA 折纸的发明，其中长单链 DNA (ssDNA) 在数百条短 DNA 主链的帮助下折叠成指定的形状，”Yan 解释说。“然而，组装更大(微米到毫米)大小的 DNA 结构一直具有挑战性，直到最近，这种结构还限制了 DNA 折纸的使用。” 新的微米级结构的宽度约为人类头发的宽度，是原始 DNA 纳米结构的 1000 倍。

自从2011 年以优雅的 DNA 折纸纳米结构登上《科学》杂志封面以来，严和合作者一直在不知疲倦地工作，利用大自然的灵感，寻求解决复杂的人类问题。

“在目前的这项研究中，我们开发了一种通用的“元 DNA”(M-DNA)策略，该策略允许各种亚微米到微米大小的 DNA 结构以类似于简单的短 DNA 链在纳米级，”严说。

该小组证明，亚微米级(元 DNA)的 6 螺旋束 DNA 折纸纳米结构可用作单链 DNA(ssDNA)的放大类似物，并且两个包含互补“元-DNA”的元 DNA碱基对”可以形成具有程序化旋向性和螺距的双螺旋。

他们使用元 DNA 构建块构建了一系列亚微米到微米尺度的 DNA 结构，包括元多臂连接、3-D 多面体和各种 2-D/3-D 晶格。他们还展示了元 DNA 上的分层链置换反应，以将 DNA 的动态特征转移到元 DNA。

在助理教授 Petr Sulc (SMS) 的帮助下，他们使用粗粒度的 DNA 计算模型来模拟双链 M-DNA结构，并了解获得的左手和右手结构的不同产量.

此外，通过改变单个 M-DNA 及其相互作用的局部灵活性，他们能够构建一系列从 1D 到 3-D 的亚微米或微米级 DNA 结构，具有各种几何形状，包括元结、元双交叉瓦片 (M-DX)、四面体、八面体、棱柱和六种紧密排列的晶格。

未来，可以使用 M-DNA 合理设计更复杂的电路、分子马达和纳米器件，并用于与生物传感和分子计算相关的应用。这项研究将使创建可在刺激下重新配置的动态微米级 DNA 结构更加可行。

作者预计，这种 M-DNA 策略的引入将使 DNA 纳米技术从纳米级转变为微观尺度。这将创建一系列亚微米和微米级的复杂静态和动态结构，从而实现许多新应用。

例如，这些结构可用作构图复杂功能组件的支架，这些组件比以前认为的可能更大和更复杂。这一发现还可能导致更复杂和更复杂的行为，这些行为通过结合不同的基于 M-DNA 的分层链置换反应来模拟细胞或细胞成分。

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