【纳米】JACS：多重形变的DNA折纸笼应用于蛋白质的捕获和调控- 大数跨境

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2024-10-14

导读：本文作者开发了一种多级可重构 DNA 纳米笼，它可以通过多价相互作用包裹和调节蛋白质，并经由特定的分子信号激活。

近年来，DNA 纳米技术，特别是 DNA 折纸技术（DNA Origami）的快速发展，使得创建可以精准组装，并具有在纳米级分辨率下操控分子的纳米结构成为了可能。而创造能够精确捕获、操控和调节活性生物分子的纳米机器对于推进分子医学和疾病诊断治疗具有深远的意义。DNA折纸的特点是使用一根较长骨架 DNA 和数百条较短的图钉DNA，通过自组装过程折叠成预先设计的 2D 或 3D 结构。利用链置换反应将动态行为引入 DNA 折纸可以方便的实现结构的动态变化。然而，尽管已经有一些可以形变的DNA结构的研究，比如DNA镊子与DNA盒子，但是设计一个可以精确调节纳米构象的DNA结构依然极具挑战。因为这牵扯到对的DNA结构复杂动态变化的设计，尺度方向等参数的精确调控以及高效快速的形变过程。这样的DNA结构同时具有可调控的3D构象，精准的捕获、调节、释放生物分子等等的高级功能。

图1. 利用支撑结构形成的多级可变构 DNA 纳米笼，用于蛋白质的捕获和调节。

本文作者开发了一种多级可重构 DNA 纳米笼，它可以通过多价相互作用包裹和调节蛋白质，并经由特定的分子信号激活。通过战略性地设计和操纵 DNA 纳米笼的支柱结构（骨架DNA），可以精确控制它们在金字塔、方形和线性分支形状之间的变构。此外，作者还通过将两种凝血酶靶向适体DNA整合到 DNA 纳米笼的内部空间中，证明了它捕获凝血酶并抑制其凝血活性的能力。通过改变 DNA 纳米笼的构象并重新释放蛋白质，可以进一步恢复凝血酶的活性，从而激活凝血过程。这种方法丰富了动态纳米机器的设计工具箱，并启发了一种新的蛋白质封装和调节策略，具有潜在的未来治疗应用。

图2. 通过添加适体中和剂和进行变构实时恢复凝血酶反应活性的示意图。

通过这项研究作者证明了支撑框架设计能够实现稳健的 DNA 纳米结构组装和可控的多级构象重排，该系统具有模块化设计并且可以方便地改装成适应目标分子的纳米笼。通过替换模腔内的靶向部分，可以将抗体修饰到内腔上以结合蛋白质或其他靶标。更重要的是，设计和创建用于蛋白质调节的纳米装置为生物分子研究和药物开发提供了宝贵的工具。DNA纳米笼提供了一个稳定的3D“模具”，通过它可以在3D尺度和纳米精度去调控目标分子的数量、距离、方向，最终实现其功能的调节。这对生物活性大分子的激活与抑制，甚至是病毒的中和都有重大意义。总之，这种用于蛋白质封装和调控的可重构 DNA 纳米笼的设计和功能有助于动态纳米机器的发展，并扩大 DNA 纳米技术的应用范围。

这一成果近期发表在JACS 上，文章的第一作者是来自Rutgers University 的博士学生Xu Chang。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Reconfigurable DNA Nanocage for Protein Encapsulation and Regulation

Xu Chang, Qi Yang, Jung Yeon Lee, Devanathan Perumal, and Fei Zhang*

J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 26131−26138, DOI: 10.1021/jacs.4c06871

Prof. Fei Zhang简介：

Biography

Dr. Fei. Zhang joined the Chemistry Department at the Rutgers University-Newark as an Assistant Professor in 2019. She received her bachelor’s degree in chemistry and molecular engineering from Peking University in 2010 and her Ph.D. in Chemistry and Biochemistry from Arizona State University in 2015. After graduating from ASU, Dr. Zhang joined the faculty of the world-renowned Biodesign Institute as an assistant research scientist in the Center for Molecular Design and Biomimetics. There, she was promoted to assistant research professor in 2016. Dr. Zhang’s work at the Biodesign Institute was recognized with the prestigious Robert Dirks Molecular Programming Prize from the International Society for Nanoscale Science, Computation, and Engineering.

Dr. Zhang joined Rutgers in 2019. After two years, in 2021, she received the NSF Faculty Early Career Development (CAREER) award. Dr. Zhang’s current research focuses on constructing dynamic DNA devices with programmable behaviors, de novo RNA design, interacting DNA with other functional materials, and ultimately rebuilding synthetic biochemical molecular systems that approach the complexity and sophistication exhibited by nature.

课题组简介：

https://www.feizhang-lab.com/