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研究背景

隨著科技的進(jìn)步和對(duì)生物系統(tǒng)深入理解的不斷深化，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注生物系統(tǒng)中復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其在信息處理中的重要作用。生物體內(nèi)存在著諸如大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和染色質(zhì)組織中的高超結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)依賴于各種拓?fù)滢D(zhuǎn)換來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)之間的連接，從而實(shí)現(xiàn)功能上的適應(yīng)性和效率。然而，如何在合成的分子尺度上構(gòu)建能夠模仿這些復(fù)雜拓?fù)滢D(zhuǎn)換并具有高度功能的人工結(jié)構(gòu)，是一個(gè)迫切需要解決的挑戰(zhàn)。

在現(xiàn)有的合成生物學(xué)領(lǐng)域中，DNA納米技術(shù)的發(fā)展提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具箱，能夠精確地構(gòu)建各種拓?fù)洚悩?gòu)體納米結(jié)構(gòu)。DNA折紙技術(shù)，作為一種典型的DNA納米技術(shù)，已被廣泛用于構(gòu)建從一維帶狀物到三維具有預(yù)定形狀的物體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。然而，目前的挑戰(zhàn)在于如何利用這些技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的拓?fù)滢D(zhuǎn)換，從而使得這些人工結(jié)構(gòu)能夠像生物系統(tǒng)一樣，在信息傳遞和處理中展現(xiàn)出高度的靈活性和效率。

總結(jié)展望

為了解決這一問(wèn)題，華東師范大學(xué)裴昊以及上海交通大學(xué)樊春海院士合作在Nature Chemistry期刊上發(fā)表了題為“Encoding signal propagation on topology-programmed DNA origami”的最新論文。本研究致力于開(kāi)發(fā)一種系統(tǒng)的分子實(shí)現(xiàn)拓?fù)洳僮鞯姆椒āＱ芯繄F(tuán)隊(duì)通過(guò)“粘接-切割”過(guò)程，基于多重雜交和鏈置換反應(yīng)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種拓?fù)渚幊痰腄NA折紙系統(tǒng)。這些折紙結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)拓?fù)洳僮魅值馗淖兤錁?gòu)形，例如從二維折紙到三維折紙?jiān)俚蕉S折紙的連續(xù)轉(zhuǎn)換。研究團(tuán)隊(duì)利用整數(shù)拓?fù)洳蛔兞咳缣澑瘛⑦吔缃M分?jǐn)?shù)量和可定向性來(lái)表征這些結(jié)構(gòu)的拓?fù)涮匦缘淖兓⒄故玖巳绾瓮ㄟ^(guò)這些操作實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

具體而言，通過(guò)在2D折紙的不同部位粘接DNA鏈的端部，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了包含可定向或非定向表面的3D折紙結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)不僅展示了復(fù)雜的拓?fù)渥儞Q，還作為動(dòng)態(tài)支架，用于探索空間和時(shí)間上的信號(hào)傳播。通過(guò)空間排列具有反應(yīng)性的DNA發(fā)夾，研究團(tuán)隊(duì)演示了在3D折紙的曲面上不同長(zhǎng)度、方向和曲率的傳輸路徑上的信號(hào)傳播。此外，研究團(tuán)隊(duì)還利用拓?fù)渥儞Q誘導(dǎo)的鏈置換級(jí)聯(lián)在接近位置進(jìn)行分子控制，進(jìn)一步構(gòu)建了多功能的可重編程雙軌電路，允許在折紙拓?fù)渥儞Q時(shí)重新連接局部電路元件，從而啟動(dòng)不同的信號(hào)傳播路徑。

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研究亮點(diǎn)

（1）本文首次實(shí)現(xiàn)了基于DNA折紙的拓?fù)渚幊滔到y(tǒng)，通過(guò)”粘接-切割”過(guò)程進(jìn)行拓?fù)洳僮鳎瑢?shí)現(xiàn)了全局結(jié)構(gòu)的連續(xù)變化。

（2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)多重雜交和鏈置換反應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)了DNA折紙結(jié)構(gòu)的拓?fù)溥B續(xù)轉(zhuǎn)換，包括從二維折紙到三維折紙?jiān)俚蕉S折紙的轉(zhuǎn)變。作者使用整數(shù)拓?fù)洳蛔兞咳缣澑瘛⑦吔缃M分?jǐn)?shù)量和可定向性來(lái)表征這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，驗(yàn)證了拓?fù)溥B續(xù)轉(zhuǎn)換的有效性。

（3）此外，作者展示了通過(guò)空間排列反應(yīng)性DNA發(fā)夾，在三維折紙的曲面上實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳播路徑的可編程控制，跨越不同長(zhǎng)度、方向和曲率的傳輸路徑。

（4）進(jìn)一步地，利用拓?fù)渥儞Q誘導(dǎo)的鏈置換級(jí)聯(lián)在接近位置進(jìn)行分子控制，構(gòu)建了多功能可重編程雙軌電路，允許在折紙拓?fù)渥儞Q時(shí)重新連接局部電路元件，以實(shí)現(xiàn)不同的信號(hào)傳播路徑。這些結(jié)果表明，作者的方法為制造能夠在可編程控制下執(zhí)行復(fù)雜拓?fù)滢D(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)DNA折紙納米結(jié)構(gòu)提供了通用途徑。

圖文解讀

圖1：DNA折紙系統(tǒng)的拓?fù)渥儞Q。

圖2. 可重構(gòu)拓?fù)銬NA折紙的設(shè)計(jì)和可視化

圖3. 具有橢球或雙曲面配置的三維折紙。

圖4：通過(guò)曲面上的分子線，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳播。

圖5：可重構(gòu)DNA折紙上的多用途雙軌門。

結(jié)論展望

以上研究揭示了利用DNA納米技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜拓?fù)洳僮鞯男峦緩剑@對(duì)于仿生學(xué)和分子計(jì)算領(lǐng)域具有重要的價(jià)值。通過(guò)多重鏈置換和雜交步驟，研究團(tuán)隊(duì)成功地在分子水平上實(shí)施了“粘接-切割”過(guò)程，從而能夠精確控制DNA折紙結(jié)構(gòu)的大小、形狀和拓?fù)涮匦浴＿@一研究不僅拓展了DNA納米技術(shù)在構(gòu)建復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用，還展示了在控制精準(zhǔn)拓?fù)滢D(zhuǎn)換過(guò)程中的高度可編程性和可配置性。

此外，通過(guò)演示拓?fù)渚幊痰腄NA折紙?jiān)诜肿与娐吩嘏帕兄械膽?yīng)用，研究為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)多功能邏輯計(jì)算提供了新思路。這些成果促進(jìn)了分子系統(tǒng)的復(fù)雜動(dòng)態(tài)行為研究，進(jìn)一步推動(dòng)了納米技術(shù)在生物學(xué)和信息科學(xué)交叉領(lǐng)域的前沿探索，為未來(lái)發(fā)展具有高度動(dòng)態(tài)和可控性的分子結(jié)構(gòu)提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)信息

Ji, W., Xiong, X., Cao, M. et al. Encoding signal propagation on topology-programmed DNA origami. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01565-2

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