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，或者非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，药学院 中医药学院左华教授、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（2023, 145 (36), 19503-19507, DOI: 10.1021/jacs.3c06260）。

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。

论文信息：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.3c06260

AMP Aptamer Programs DNA Tile Cohesion without Canonical Base Pairing

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145 (36), 19503-19507, DOI: 10.1021/jacs.3c06260.