【分析】华中科技大学吴曈勃团队ACS Nano/Small：基于DNAzyme的耗散DNA链置换技术- 大数跨境

【分析】华中科技大学吴曈勃团队ACS Nano/Small：基于DNAzyme的耗散DNA链置换技术

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2024-06-10

导读：华中科技大学同济医学院药学院吴曈勃教授课题组提出了一种基于 DNAzyme 的耗散 DNA 链置换技术 (D-DSD)，结合了动态 DNA 纳米技术和耗散 DNA 纳米技术的原理和优点

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

DNA纳米技术已经成为精确设计和控制分子电路、机器和纳米结构的强大工具。DNA电路具有比硅基电子器件更好的生物相容性，在环境监测、药物递送和智能医疗诊断等方面发挥了重要的作用。该领域的一个主要发展方向是制造具有类似生命特性的设备，如定向运动、传输、通信和适应性。耗散DNA纳米技术作为一个新兴领域，可以利用化学燃料与能量消耗使DNA系统执行周期性任务。然而，现在的耗散DNA元件和网络常常具有复杂的结构或能量控制体系，使耗散DNA纳米技术的扩展性受到了限制。

近日，华中科技大学同济医学院药学院吴曈勃教授课题组提出了一种基于 DNAzyme 的耗散 DNA 链置换技术 (D-DSD)，结合了动态 DNA 纳米技术和耗散 DNA 纳米技术的原理和优点。D-DSD保留了经典toehold介导的链置换的基本模式，一个toehold区和一个迁移区。这种链置换模式没有引入额外DNA链和复杂的结构，具有良好的扩展性，可以作为构建高级DNA电路和体系的基本元件。吴曈勃课题组基于D-DSD技术，展示了其在时间控制、密码学等领域的应用。相关成果近期分别发表在国际权威杂志ACS Nano和Small 上。

该团队通过分别在入侵链和底物链的toehold和迁移区之间引入DNAzyme核心序列和核糖核苷酸催化底物，赋予了D-DSD循环和耗散的特性。通过DNAzyme的切割，链置换完成后不会产生惰性双链分子。入侵链和底物链会相互解离，使入侵链恢复为游离的形式，重新进行循环链置换。

图1. 耗散 DNA 链置换 (D-DSD) 的构建。(A) 传统Toehold介导的 DNA 链位移（左）和 D-DSD（右）的示意图。(B) 传统链置换和 D-DSD 的实时荧光动力学图。(C) 对不同浓度的侵入链的响应。所有底物/靶标 dsDNA 浓度均为 100 nM。(D)不同浓度下活性DNAzyme与非活性DNAzyme相比的扩增效率。图片来源：ACS Nano

基于D-DSD技术，该团队构建了时序逻辑门，展示D-DSD在时间控制中的作用。通过替换时间组件——把传统toehold介导的链置换替换为D-DSD，仅使用少于 10 个链设计了两个不同的时间 AND 门，消除了复杂网络设计的需要。与之前的时间逻辑门相比，该方法的时间存储不是通过动态控制或交叉抑制，而是通过自循环回归存储，这是一种更加模块化和可扩展的存储方法。在时序逻辑门的任务中，共设计了两种类型的逻辑门——“会议”模式和“钥匙”模式。在“会议”模式的AND门中，只有两个输入在同一时间范围内反应才可以激活AND门。在“钥匙”模式的AND门中，两个输入具有先后顺序的规定。只有两个输入按预先设定的顺序反应才可以激活AND门。这两种模式的设计扩展了之前单一的时序逻辑门。

图2. 时间与门的构造。(A)两个输入链在约定的时间同时到达以激活与门。（B）与门具体实施。(C)实时荧光表征。(D)两个输入的时序与与门的激活程度之间的相关性。(E) 实验的数据点。(F)两个输入链依次到达以激活与门。B输入链负责“开门”。(G) open模式与门的具体实现。(H) open方案中与门的实时荧光曲线。(I) 在open方案下两个输入的时序与与门的激活程度之间的相关性。(J) open方案中实验的数据点。图片来源：ACS Nano

该团队基于时序逻辑门的设计，展示了其在密码学中的应用。并利用分裂DNAzyme的可编程性设计了时序电路的上游输入和下游输出。基于DNA的生物亲和性和可编程性，该时序电路可以与多种核酸酶交互。最后，该团队设计了基于耗散电路的生物医学检测方案，并在流程上进行了概念证明，为密码学在生物医学检测的应用提供了思路。

图3. (A,B) 双重授权的顺序验证示意图（A）和分子实现（B）。(C) 不同输入下的荧光信号。t1 表示先输入的 DNA 酶，t2 表示后输入的 DNA 酶。(D) 双重授权同时验证的分子实现。(E) 不同输入下的荧光信号。输入超过有效期的时间间隔为 10 分钟。F) 验证 AND门的重复使用。图片来源：Small

图4. (A) 验证系统流程图。(B) 用户认证结果的编码方法。我们将每一步的通过设为1，失败设为 0。(C) 三个检查点下不同编码组合的荧光变化。图片来源：Small

图5. (A) 时间可控的生物信息采集流程。(B) miRNA 检测流程。每个捕获框对应一名患者；只有正确的捕获才能获取生物信息。(C) 分裂 DNAzyme检测不同浓度 miRNA 的荧光图。D) miRNA 检测的序列匹配和时间的双重验证。（E) miRNA 信息获取的时间限制特性。F) 单核苷酸变异（SNV）的检测方法。（G) SNV 检测荧光。图片来源：Small

华中科技大学2018级临床医学（八年制）专业博士生胡明昊为两篇论文的第一作者，药学院博士生李小龙、硕士生杨梦瑶分别为共同第一作者，吴曈勃教授为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、华中科技大学新进教师启动经费的资助。

1. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

DNAzyme-Based Dissipative DNA Strand Displacement for Constructing Temporal Logic Gates

Minghao Hu^#, Xiaolong Li^#, Jia-ni Wu, Mengyao Yang, and Tongbo Wu*

ACS Nano, 2024, 18, 2184–2194, DOI: 10.1021/acsnano.3c09506

2. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Time-Controlled Authentication Strategies for Molecular Information Transfer

Minghao Hu^#, Mengyao Yang^#, Xianzhi Cheng, Tongbo Wu*

Small, 2024, DOI: 10.1002/smll.202400261

吴曈勃教授简介

华中科技大学同济医学院药学院教授、博士生导师，药物分析学系主任，湖北省高层次人才、武汉市黄鹤英才。2012年获北京大学理学学士学位、经济学（双）学士学位。2017年获北京大学理学博士学位。2017-2018年，加拿大阿尔伯塔大学博士后。主要研究兴趣为疾病相关生物标志物的检测及其在精准医疗、药效评价等方面的应用。以第一或通讯作者在Nat. Biomed. Eng.、ACS Nano、Nucleic Acids Res.、Chem. Sci.、Small等高水平期刊发表论文42篇，授权国家发明专利7项，担任Nat. Chem. Bio.、Nucleic Acids Res.、Adv. Sci.等期刊审稿人。

课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/Wu_Tongbo

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：因更好的生物相容性，近些年来DNA电路发展迅速，被广泛应用到了环境监测、药物递送和智能医疗诊断等各种场景中。逻辑门作为DNA电路的基础元件，尽管逻辑门的构建策略十分常见，但是具有时间特性的逻辑门很少被开发。最近两年耗散DNA纳米技术的兴起为逻辑门的时间特性的开发提供了新的契机。因此，我们着眼于构建具有通用性和结构简洁性的DNA链置换工具，并开发其时间控制属性。

Q：该研究的主要创新性是什么？

A：尽管一些耗散DNA元件和系统已经被提出，但他们大多数都为了完成具体任务而设计了复杂的结构，网络，或使用额外的化学燃料，这都极大的限制了耗散DNA纳米技术的扩展和应用。我们设计的D-DSD技术保留了传统toehold介导的链置换的基本结构，这使其更容易衔接到不同的DNA系统中。此外，时序逻辑门的开发和时间控制的密码学策略也是很少被提出，因为在耗散DNA纳米技术这个领域兴起前，DNA结构和网络受到热力学的单向控制，较难实现时间控制策略。

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