DNA分子机器调控的"DNA tile"组装

With the programmable behaviors in building molecular machine and realization of self-assembly, DNA molecule has found broaden applications in the areas of DNA molecular computation, diagnosis of disease and biosensors. Currently, a strategy in which the DNA tiles are designed and built as an assembly unit ignites great interesting to the ones working in the fields. In this proposal, we suggest a strategy to utilize the DNA tile for building an assembly unit, on the side of which graft a multiple single DNA chains that will play role a “bond” as polymerizing with other “DNA tiles”. The bonding strength between tiles is able to be modulated by the length of these grafted chains. Furthermore, with the help of designed DNA molecular machine, the controllable polymerization of the DNA tiles is realized. It has several advantages with this particular strategy, 1. deignable to the structures of the DNA tiles and the positions of DNA chains grafted on the side of the tile; 2. able to form some linear chain or two-dimensional structures via polymerization.

DNA 作为可精确调控的反应基元被用于构建分子机器及组装，并广泛应用于 DNA 分子计算、疾病诊治和生物传感等研究领域。在 DNA 组装研究领域中，基于“DNA tile”的组装引起人们很大兴趣。通过设计“DNA tile”边缘的接枝 DNA 链序列，能够实现 DNA tile 的可控链接和组装。在此申请中，我们拟构建基于“DNA tile”的组装基元，边缘接枝 DNA 单链长度和序列可以用于调控“DNA tile”基元间的“键接”方式和强度。借助高分子化学科学领域的聚合反应概念，结合 DNA 分子机器驱动“DNA tile”组装，实现基于“DNA tile”基元可控组装和调控。此处由 DNA 链构建的 “DNA tile”组装基元具有如下几个优势：1） 结构更具有可设计性，接枝在DNA tile 侧端的DNA 单链位置寻址；2）能够形成一维线性和二维片状结构。

本项目结合理论计算和实验设计并构建基于DNA分子的组装基元，通过DNA链替换控制基元间反应，用于调控系统的信号输入和输出，具体包括：（1）结合熵驱动催化网络和催化发卡组装，并整合SNA组装信号输出系统构建了二级催化SNA组装，上游催化循环反应体系的产物作为下游体系的反应物，实现了1 pM目标链，约~1×10^5倍的信号放大；（2）建立了基于Toehold介导DNA链替换反应调控DNA纳米线的FRET信号输出系统，其包为含一个供体和两个受体的三色FRET体系。当输入不同DNA链，将对应产生不同的FRET信号；相比于传统的直接杂化检测方法，本策略通过监视蓝光激发下的颜色变化实现了在20分钟内2 nM的检测浓度，该方法也被用于在活细胞内的MicroRNA信号放大检测；（3）构建了一种新的模型, 利用金纳米颗粒和DNA系统在提高灵敏度的同时来抑制toehold介导的催化链替换反应中出现的泄露，相对于传统的不使用燃料链的纳米金和DNA系统而言, 是一个极大的改进；（4）DNA网络反应反应物的不可逆消耗和废物的不断积累和不可再生极大地限制了其发展和应用。通过核酸切口酶辅助，将废底物转化为反应底物，我们提出一种简单的策略来构建可再生DNA循环，同时实现反应物的可再生和废物的消除，实验表明该反应通过简单补充燃料链呈现出很好的可再生性；（5）核酸作为遗传信息的载体和传递者，其碱基突变如何影响它的结构、动态变化和功能等的机制尚不明确，我们选择核酸适配体为研究对象，采用我们发展的核酸适配体高通量虚拟筛选方法SELEX in silico全面搜索精氨酰胺适配体在序列空间中的毗邻序列，研究碱基突变如何改变它的空间构象、影响其靶标结合方式及亲和力，成功预测并通过实验验证确定了两种全新的、与原核酸适配体结合能力相当的精氨酰胺适配体。在项目资助下共发表论文17篇，培养博士研究生2名。