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。近期，西南大学左华教授、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）。
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，团队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。（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）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，团队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。（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）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。（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
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西南大学的左华教授、李春梅教授和普渡大学的毛诚德教授，西南大学黄承志教授为本研究提供了重要的指导和帮助。西南大学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（22134005、21974111和22274135）和重庆市自然科学基金（cstc2021jcyj-msxmX0931、1033和cstc2020jcyj-msxmX0947）等项目的资助。课题组主要开展核酸纳米技术、核酸药物、生物大分子相互作用、新型生物材料、纳米生物医学领域的相关研究。详见课题组主页http://pharmacy.swu.edu.cn/info/1019/2079.htm.左华，西南大学药学院教授，博士生导师。2008年于韩国国立昌原大学取得博士学位，同年就职于西南大学，2014-2015年在美国普渡大学Chengde Mao教授课题组开展访学研究。近年来，利用核酸纳米技术、化学合成等技术手段，在核酸结构设计及功能评价、核酸与客体分子（核酸、蛋白质、多肽、小分子等）互作等方面进行了系统研究，取得了系列创新性成果：（1）DNA和RNA的结构在识别核酸方面的异同；（2）核酸通过碱基错配、三链体、适配体-配体驱动的非经典Waston-Crick作用以及多价作用识别客体分子；（3）发展了核酸设计中的极简策略；（4）核酸适配体在凝血通路中的调控作用；（5）以DNA为骨架的多价抗原多肽、免疫检查点多价适配体激动剂及免疫作用。成果发表在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Anal. Chem.、Small、Adv. Drug. Deliv. Rev.、《科学通报》等权威学术刊物。获授权发明专利3项。参编“十三五”国家重点出版物出版规划项目软物质前沿科学丛书《核酸纳米技术》专业书籍一部。研究领域为化学与生物传感、肿瘤成像与治疗。详见课题组主页http://pharmacy.swu.edu.cn/info/1019/3470.htm李春梅，西南大学药学院教授，博士生导师。2013年博士毕业于西南大学，2011-2013年在美国University of Florida（佛罗里达大学）联合培养，2014-2016年为西南大学师资博士后。主持国家自然科学基金青年基金、面上项目等国家级、省部级各类项目 10余项，以第一作者及通讯作者在 J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Biomaterials, Anal. Chem.等刊物发表SCI论文40余篇，论文被引近4000次，个人H因子33。授权国家发明专利1项，任Chinese Chem. Lett., JAT等期刊青年编委。课题组围绕肿瘤标志物灵敏检测、分子事件实时动态监测、微环境响应型肿瘤治疗展开研究，提出了 DNA 逻辑运算与分析测量信号相融合的思路，进而结合核酸自组装信号放大技术、多重荧光共振能量转移等策略，实现了癌症早期有关基因、小分子、蛋白质等重要生物标志物的快速、灵敏、准确检测，以及细胞凋亡等过程中胞内分子事件实时动态监测，并提出了肿瘤细胞表面微环境刺激响应的高效肿瘤治疗策略。
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