基于矩形DNA折纸的纳米成像与调控平台用于单分子转录行为研究

Single-molecule observation could exclude the average effect and obtain detailed kinetic and statistical information of the target molecule. With the advantages of precise addressability and the ability to modify a variety of molecules at a defined position, DNA origami has become an excellent platform for single-molecule observation of various biochemical reactions. The present research proposal is aimed to design a single-molecule real-time observation and regulation platform for the study of molecular interactions, which could be used to study the effects of nanoscale crowded environment and force condition on single-molecule transcription behavior. First, a confined single-molecule observing platform will be constructed on DNA origami through the design of anchored molecules and fluorescence labels. Then, the spatial resolution and structure will be characterized using stochastic optical reconstruction microscopy based on single-molecule fluorescence imaging. In the last, the platform will be used for the function mode and the influence of nanoscale crowded environment and force condition of single RNA polymerase, using T7 RNAP as a model observing system. This project will help to reveal the single-molecule behaviors of DNA-binding proteins, providing a deeper understanding of the expression mechanism of genetic information in cells. Furthermore, this project will contribute to the further functionalization of DNA nanostructures.

单分子尺度的观察可以排除平均效应，得到分子的详细动力学及统计学信息。DNA折纸具有可精确寻址和可定量多功能修饰的优势，为多种化学反应的观察提供了独特的单分子平台。本项目的预期目标是设计适用于单分子纳米尺度相互作用观测与调控平台，用于研究局域环境的拥挤程度与力学条件对转录行为的影响。本项目的主要研究内容包括三个部分：首先通过DNA折纸及其表面锚定分子的设计和荧光修饰，构建单分子作用调控与观测研究平台；其次通过基于单分子荧光成像的随机光学重构显微技术对该平台的空间分辨能力和结构进行表征；随后以T7 RNA聚合酶（RNAP）为模型体系，研究单分子RNAP转录中局域环境的拥挤程度与力学条件对转录行为的影响机制。该工作有助于揭示DNA结合蛋白的单分子行为，对于细胞中遗传信息的表达机制提供更深入的理解，同时也为DNA纳米结构的进一步功能化应用打下基础。

本项目拟设计适用于单分子纳米尺度相互作用的多视角观测与局域环境调控平台，用于研究局域环境的拥挤程度与力学条件对转录行为的影响，发现单分子转录过程与局域环境的作用机制，并为发展多功能的、高时空分辨的单分子成像平台提供条件。项目执行期间进展顺利，全面完成了设定的年度研究计划和预期研究目标。我们通过对DNA折纸平台的设计和组装方式的优化，建立了适用于单分子纳米尺度相互作用的多视角观测与局域环境调控平台。通过对T7 RNAP转录和CRISPR模型体系的观测，系统研究了局域环境对转录动态和目标搜寻方式的影响。同时，也建立了基于单分子定位的光学超分辨成像方法，实现了对带有修饰的多组分DNA折纸组装结构的成像表征。该项目的一系列研究成果为有助于深入理解非均匀环境对转录行为影响的分子机制，同时将为高时空分辨的功能化纳米观测平台的发展提供新的思路。共发表受本项目资助的SCI论文13篇，包括Nat. Chem. 1篇，Angew. Chem., Int. Ed. 1篇，J. Am. Chem. Soc. 1篇。