DNA间隔片段调控的DNA折纸二维自组装

本文转自x-mol
DNA折纸具有高度的可定制性和可寻址性，为构建精确的纳米器件提供了强大的工具平台，在生物传感、DNA计算和药物递送等领域有着广泛的应用。然而，单个DNA折纸单元尺寸受限，阻碍了它们的进一步应用。通过二维组装将多个DNA折纸单元相互连接和排列，是构建更大、更复杂的DNA纳米结构的主要途径之一。
在利用DNA粘性末端杂交实现DNA折纸的二维组装时，通常会在DNA粘性末端和DNA折纸之间引入间隔片段来进行组装调控。然而，尽管间隔片段在DNA折纸组装中被广泛使用，但其作用机制仍待探索。基于此，上海交通大学樊春海院士团队刘小果副教授及其合作者基于正方形DNA折纸框架（SDO）基本单元，研究了不同间隔片段长度对典型DNA折纸二维组装的影响规律。
作者发现DNA间隔片段的长度决定了DNA折纸单元的结合半径，可以有效调节粘性末端的杂交反应，从而产生不同的二维DNA折纸阵列。利用DNA-PAINT超分辨率成像技术，作者揭示了DNA间隔片段长度对DNA粘性末端杂交效率的显著影响。作者还发现，二维DNA折纸的组装效率和图案多样性对DNA间隔片段长度的依赖性。作者通过这种策略实现了SDO三聚体和四聚体的高达98%产率的可控组装调控。最后，作者利用分子动力学模拟揭示了DNA间隔片段长度和SDO结构的热力学波动之间的正相关关系。该工作为研究DNA纳米结构的复杂二维组装和平面镶嵌问题提供了新思路。

图1. 不同间隔片段长度对SDO组装影响的示意图

理论上，SDO顶点存在空间位阻，当间隔片段过短时，粘性末端有限的结合半径会阻碍两个SDO之间的组装。当间隔片段过长时，会导致两个SDO之间的组装方向不确定。只有当间隔长度合适时，才能实现SDO的精确和有序组装（图1）。

图2. 间隔片段长度对粘性末端杂交效率的影响
首先，作者通过DNA-PAINT技术验证了过长和过短的间隔片段都会降低粘性末端的杂交效率（图2）。通过设计9组不同的间隔片段长度，作者进一步证明了DNA折纸二维组装和间隔片段长度的相关性（图3）。研究结果表明，DNA折纸的二维组装显示出一个最佳间隔长度范围，在此范围内组装出的阵列尺寸大，缺陷少。低于这个长度，DNA折纸就会出现异常组装甚至聚集。高于这个长度会降低DNA折纸单体的组装效率，并会引起组装缺陷。有趣的是，当间隔片段长度在2-3个碱基时，出现了设计意料之外的（3.4.6.4）型阿基米德镶嵌阵列。这意味着间隔片段长度对DNA二维组装的影响并非仅仅局限于组装效率。

图3. 不同间隔片段长度对SDO二维组装的影响

图4. 间隔片段长度调控SDO的二维自组装

基于上述认知，作者设计了一系列不同长度的间隔片段用于调控SDO的二维自组装（图4）。结果表明，仅仅通过改变间隔片段长度就能实现SDO三聚体和四聚体的可控组装，效率高达98%，并且这种方法对粘性末端序列没有要求。为了解释这一实验结果，作者以SDO二聚体为模型进行了分子动力学模拟，结果表明间隔片段长度会显著影响DNA折纸的热力学波动。以系统VIII为例（图5i），SDO倾向于向较短间隔片段长度的一侧偏转，从而更有利于三聚体的组装。

图5. SDO二聚体系统的分子动力学模拟
该研究成果近期发表于Journal of the American Chemical Society，上海交通大学为该论文第一单位，博士生柳勇俊为该论文的第一作者。