导语：

DNA的程序化自组装是一种分子自组装的模型系统，通过该模型构建的纳米结构已被广泛地运用于纳米医学、新型材料、分子计算、生物传感以及纳米机器等领域。DNA自组装主要依赖以Watson-Crick作用为主的碱基互补配对作用，或非Watson-Crick配对（G-四链体、i-motif和三链体等）。拓展DNA自组装的驱动力类型，使之不受限于常规碱基对之间的相互作用，成为该领域研究的热点之一。近日，我院左华教授、李春梅教授与美国普渡大学毛诚德教授在该研究领域取得了新进展，相关研究成果在线发表于J Am Chem Soc（DOI: 10.1021/jacs.3c06260）。

前沿科研成果：基于适配体-配体作用力驱动DNA瓦片自组装

研究团队报道了一种驱动DNA-DNA相互作用并自组装的新型策略：以AMP的DNA适配体为研究模型，通过与腺嘌呤作用，即适配体-配体作用驱动DNA瓦片自组装，得到几何结构确定的DNA纳米结构。这种驱动力不依赖传统的Watson-Crick碱基配对作用，为使用适配体进行程序化DNA自组装提供了新思路与潜在应用。

团队首先分析了AMP适配体的序列特征（图1a）：黄色方框里面为结合口袋，红色部分为AMP，其中仅有腺嘌呤和脱氧核糖部分插入结合口袋中，磷酸骨架暴露在外，不与适配体作用。根据这些特点，设计了两条能形成双链且包含AMP适配体的DNA链，命名为L-cA（图1b）。两条链的末端都是碱基A，A和其他碱基之间用碱基C分隔，作为柔性的连接部分。由于AMP适配体具有两个腺嘌呤结合位点，L-cA的两个碱基A能够识别结合口袋，通过适配体-配体的作用自发地聚集形成线性多聚体（图1c）。

图1. AMP适配体驱动DNA线性结构的自组装。

由于单价L-cA的相互作用较弱，在此基础上，团队进一步引入了二价适配体的理念，设计了二价的DNA模块，即S-cA（图2a）。一分子S-cA中的末端两个碱基A能与另一分子S-cA的结合位点作用，自聚集形成以正方形为主的寡聚结构，并通过原子力显微镜和凝胶电泳进行了表征（图2c, d）。同时，为了将二价的AMP适配体作用力引入到传统的粘性末端介导的DNA自组装中，需要对二价AMP适配体-配体作用力与粘性末端作用力的强度进行对比。为此，设计了由具有不同长度的粘性末端自组装的DNA三角形结构，并通过凝胶电泳将它们的稳定性与S-cA自组装结构的稳定性进行比较（图2c, e）。团队发现，二价的适配体-配体作用力大致与2 bp长度的粘性末端作用力相当。

图2. AMP适配体驱动的DNA四边形的自组装。

进一步研究表明，基于AMP适配体-配体结合作用可以编程DNA模块组装成规则的2D阵列结构。团队设计了两个类似的双链DNA模块（2D-a和2D-b）（图3a1, b1），每个双链DNA模块均包含：（1）一个AMP适配体结合口袋；（2）双链的左侧含有两个外延的碱基A；（3）双链的右侧含有4 nt的自互补的粘性末端。2D-a和2D-b均能通过二价适配体-配体作用以类似S-cA的方式组装成正方形结构（图3a2, b2），进而通过粘性末端作用进一步组装形成规则的2D阵列（图3a3, b3）。原子力显微镜成像清晰地展现了2D阵列的形成和规则排列（图3a4, a5, b4, b5）。

图3. AMP适配体驱动的DNA二维阵列的自组装。

总结：

研究团队开发了一种基于适配体-配体作用力进行DNA程序化自组装的新策略。它的独特之处在于，基于适配体-配体的结合力不同于传统的DNA碱基配对。该策略具备两个有趣且实用的特征：（1）为DNA纳米技术增加了一种新的工具；大量可供选择的适配体极大地扩展了DNA瓦片自组装驱动力的选择范围；（2）提供了一种由各类配体诱导调节DNA自组装的直接方法。由于识别不同分子的适配体可以通过筛选或设计获得，因此，基于适配体-配体作用驱动的DNA自组装理论上可以通过响应各种配体实现，这将为生物传感和工程化的动态、生物仿生系统提供相当有价值的设计思路和潜在应用。

本篇工作通讯作者为我院左华教授、李春梅教授和普渡大学的毛诚德教授，我院黄承志教授为本研究提供了重要的指导和帮助。我院在读博士研究生张哲为该论文的第一作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金和重庆市自然科学基金等项目的资助。

撰稿人：左华                              审核人：邹懿