【纳米】AlphaFold 3辅助设计DNA纳米结构- 大数跨境

X-MOL资讯

2024-09-27

导读：美国普渡大学毛诚德教授团队与西南大学左华教授团队通过使用AlphaFold 3构建结构模块，成功实现了DNA纳米结构的设计。

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

生物分子自组装（如DNA自组装）为纳米医学、生物传感与成像、疫苗开发、计算和纳米光子学等广泛领域提供了强有力的工具，其核心在于合理设计组装模块及其分子间的相互作用。结构性DNA纳米技术的快速发展得益于以B型DNA双螺旋为主的DNA二级结构，这些结构能够轻松且准确地预测。随着该领域的不断进步，更为复杂的结构元素被引入，然而，这也使得DNA纳米结构的预测变得更加具有挑战性。过去，通常采用繁琐的试错法来应对这一难题。近日，美国普渡大学毛诚德教授团队与西南大学左华教授团队通过使用AlphaFold 3构建结构模块，成功实现了DNA纳米结构的设计。该方法预计具有广泛的适用性，并将极大推动结构性DNA纳米技术的进一步发展。

生物分子（如DNA）自组装是构建多尺度结构的重要手段之一，依赖于结构生物学知识，并受限于具体的结构信息。由于这类信息的局限性，设计这些结构通常需要反复进行试错。得益于Google DeepMind发布的AlphaFold 3（AF3）系统，现在可以优化DNA纳米模块的参数，从而进一步自组装成各种所需的纳米结构。

普渡大学和西南大学的团队以AlphaFold 3（AF3）在DNA自组装成三角形的应用为例，展示了其潜力。DNA通过每个单元弯曲60°的方式形成三角形结构（如图1所示），并需满足三个条件：（1）每个DNA单元都需弯曲60°；（2）所有环朝向同一个位置弯曲；（3）DNA单元需处于同一平面上。为了满足这些条件，最简单的设计是使用在中间区域包含单链环的DNA双链。环结构迫使一侧的DNA双链向另一侧弯曲。在设计中，该团队模仿并采用了RNA k-turn结构中的五个碱基AACTA作为环，通过DNA结构单元间的相互作用，成功形成了一个闭合的三角形。

在设计中，该团队使用Tiamat软件将DNA三角形的每条边设计为2个螺旋周期（turn），一方面是为了方便DNA的合成，另一方面是为了提高结构的稳定性。DNA单元由蓝色的Bx链和红色的Rx-y链组成，其中x表示三角形边长所对应的碱基对数（bp）。因此，红色链和蓝色链分别包含21个碱基（nt）和26 nt，分别命名为R21和B21。环结构位于DNA单元的中间，包含5个碱基。DNA单元的两端为互补的粘性末端，用于进一步连接和组装。

图1. DNA三角形结构的自组装方法。

该团队使用了如图2所示的多种设计方案：（1）B21*（平末端）+ R21，这两者能够结合，但无法形成多聚结构；（2）B19 + R19x2（2：1比例），能够形成二聚体(motif)₂或四聚体(motif)₄；（3）B19 + R19x3，主要形成三角形结构(motif)₃。然而，这种设计的DNA三角形并不稳定，在其电泳条带下方出现了明显的拖尾现象，表明结构存在不均匀性或降解问题。

图2. 10%非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）分析DNA三角形的稳定性。

为了理解该三角形不稳定的原因，该团队使用AlphaFold 3（AF3）模拟了DNA结构单元之间的相互作用（如图3所示）。其中，DNA环对DNA结构的影响尚不清楚。以边长为21 bp的三角形设计为例，AF3的模拟结果显示，沿着环伸出的两个螺旋结构之间的二面角约为64°。要形成三角形，每个DNA单元必须克服这个64°的二面角，才能使整个结构在同一平面上闭合形成DNA三角形。

因此，研究团队对该设计进行了优化，将边长从21 bp缩短为19 bp，AF3模拟显示二面角变为15°。这种优化使得结构更容易在同一平面上形成，从而在实验中获得了更加稳定的DNA三角形结构，具体为图2f中显示的清晰、单一且不拖尾的电泳条带（R19 + B19），这表明其稳定性显著提高。

图3. AF3模拟边长为21 bp和19 bp的的DNA结构对形成三角形的影响。

最后，团队使用AlphaFold 3（AF3）模拟了T4 DNA连接酶在DNA三角形上进行连接的模型，以确定每条边上最佳的连接位点。模拟结果显示，当红色链3’端所在缺口位置距离凸起环的距离为6 nt时，T4 DNA连接酶与DNA三角形重叠好，位阻作用阻碍了T4 连接酶靠近缺口位点，因此连接效率低。距离变为7 nt时，连接效率最高，连接效率的从高到低依次为：7 nt > 8~9 nt > 6 nt > 10~11 nt。这表明7 nt的缺口距离最有利于T4 DNA连接酶的作用，从而实现最有效的连接。进一步地，PAGE结果与AF3模拟结果一致。

图4. AF3模拟T4 DNA连接酶与AF3预测的带缺口的DNA三角形的相互作用。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是普渡大学在读博士生Anusha。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

AlphaFold 3 – Aided Design of DNA Motifs To Assemble into Triangles

Anusha, Zhe Zhang, Jinyue Li, Hua Zuo*, Chengde Mao*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 25422–25425, DOI: 10.1021/jacs.4c08387

毛诚德教授简介

毛诚德，普渡大学教授。研究领域为核酸（DNA和RNA）自组装、生物大分子结构及相互作用以及在纳米医学等领域中的应用。以通讯作者在Nature、Science、J. Am. Chem. Soc.、Angew Chem. Int. Ed.等学术期刊发表论文多篇，受邀为Nature等刊物撰写评论文章。

左华教授简介

左华，西南大学教授，博士生导师，重庆市学术带头人后备人选（生物医药方向）。研究领域为核酸纳米技术、生物大分子互作以及在纳米医学、生命分析等领域中的应用。主持国家自然科学基金面上、青年项目、省部级项目多项。以通讯或共同通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew Chem. Int. Ed.、Adv. Drug Deliv. Rev.、Anal. Chem.等学术期刊发表论文多篇，获授权国家发明专利3项，多项处于公开或受理阶段，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》专业书籍一部一部（樊春海、刘冬生、王树主编）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/337376

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如前所述，我们的研究兴趣之一是核酸纳米技术。通过调控核酸（DNA和RNA）的结构及其相互作用，可以使其与其他核酸或蛋白质、多肽、小分子等形成组装体，广泛应用于纳米医学、生物传感与成像、疫苗开发、计算和纳米光子学等领域。然而，当这些分子的结构变得复杂时，其相互作用变得难以预测，因此我们期待有更加智能、简便的工具来助力这些分子结构的精准预测。幸运的是，AlphaFold 3为我们提供了这样一个强有力的工具。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何获得生物分子更多、更为精细的结构信息。

这项研究属于交叉学科范畴，结构生物学的知识在其中发挥了关键作用，帮助我们更深入地理解生物分子之间的相互作用。因此，未来我们希望能与结构生物学领域的研究者密切合作，进一步推动这项研究向更高层次发展，并拓展其在更多领域的应用。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：如前所述，DNA不仅是遗传物质，还可以作为材料，并作为核酸药物发挥作用，而RNA同样在药物开发、材料科学和分析诊断等领域得到了广泛应用。因此，基于AlphaFold 3预测和设计核酸与其他分子之间的相互作用，有望广泛应用于上述多个领域。我们期待这一研究成果能够为相关领域带来变革性的影响。

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