【纳米】华东师范大学设计分子内变构新策略实现DNA化学反应网络的动态调控- 大数跨境

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2018-08-14

导读：华东师范大学的裴昊教授指导博士生赖魏、任磊等，提出分子内构象调控策略，在多尺度下精细控制了人工化学反应网络中单条反应路径动力学，实现了DNA反应网络的动态编程。

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近日，华东师范大学在动态调控复杂化学反应网络（Chemical Reaction Networks，CRNs）方面取得新进展，通过引入分子内的变构调节元件，精确控制DNA分子间的反应速率，从而有望实现对CRNs的程序化操控。相关研究结果发表在ACS Nano上。

CRN在生命过程中扮演着重要角色，如动态调节细胞间以及细胞与细胞外基质间的相互作用。这些过程对生命体的新陈代谢、组织分化、衰老死亡等起到重要的调控作用。人造基质充分模拟了生物系统，为药物传递、生物分离、细胞工程等提供了平台。迄今为止，化学反应网络的拓扑反应模块已得到了广泛的研究，包括开关、振荡、形态产生以及前馈/后退控制等反应模型。然而，目前人工化学反应网络的设计复杂度低、程序化难度高，难以如同生命体实现复杂的功能化调控。因而迫切需发展新策略来实现复杂人工生物分子网络的构建。

作为一种高度生物化学反应可编程的语言，DNA链置换反应（strand-displacement reaction，SDR）网络为非平衡态下物质的时空分布提供了一种强有力的操纵手段，已在智能纳米器件开发、基因调控、图像处理及神经元计算等领域发挥出积极的作用。链置换反应即进攻链DNA从双链结构一端的单链“立足点”结构域（toehold）开始结合，通过分支迁移（branch migration，BM）最终将靶标链置换下来，在这个过程中，调节立足点的结合强度即可轻而易举地实现反应速率常数横跨6个数量级的变化，而这一点正是开发复杂人工生物分子网络的关键。

针对这一关键问题，华东师范大学的裴昊教授指导博士生赖魏、任磊等，提出分子内构象调控策略，在多尺度下精细控制了人工化学反应网络中单条反应路径动力学，实现了DNA反应网络的动态编程。他们引入分子开关作为调节元件，toehold与BM域间的距离变化控制着SDR的动力学，在相应位置上设计一个可发生构象变化的茎环。当该结构维持环状时，toehold与BM域尤为接近，既促进反应内部扩散速率的提升，同时又在热力学上有利，进一步发生分支迁移；而当茎环部位与其互补序列杂交，即构象变化为刚性双螺旋结构时，toehold与BM域被迫分离，因而阻断了随后的链置换反应。该方法组分简单、调控简易，模块化的设计手法仅需控制底物链与进攻链的构象变化，便可实现速率在较宽范围内的精细调节。这一研究有望为设计复杂生物电路拓扑结构提供新的途径，实现非平衡态下物质的时空分布精准操纵。该研究获得国家基金委优秀青年基金项目、上海市浦江人才计划项目和上海市拔尖人才计划项目的资助。