Nature Chemistry：编码式DNA "折纸"结构空腔用于多路优化和增强DNA与蛋白结合

我们知道多个伴侣分子同时结合相应的分子可以大大降低相应分子与伴侣分子的表观解离常数，并可用于实现强的非共价相互作用。基于这一原理，通过将几个核酸适配体紧密地放置在DNA框架上，已经实现了蛋白质与DNA纳米结构的有效结合。德国慕尼黑技术大学物理系Friedrich C. Simmel教授在NatureChemistry上发文，开发了一种探索设计不同参数影响的方法，如结合位点的几何排列或纳米力学性质。使用二维DNA origami纳米空腔结构，该空腔结构在特定的位点中结合带有已知的机械性质的适配体，适配体之间的间距和朝向可以定量进行控制。该折纸结构用条形码标记，即可进行编码标记，这使得大量的结合空腔可以在平行和相同的条件下进行研究，便于直接和可靠的定量比较它们的结合效率。作者证明了结合位点的几何结构和力学性能对折纸基的多价结合有显著的影响，而优化连接子的间距和灵活性可以显著提高位点的有效结合强度。

DNA纳米技术是利用DNA分子序列进行编程自组装来创造需要的DNA纳米结构和图形。其中DNA折纸术可以形成几乎任意形状的结构体，并可以用功能分子或纳米颗粒进行修饰。折纸结构是由数百条短寡核苷酸的 “短链” 组成，它们以特定的方式杂交到一条长单链的“支架”链上，从而导致支架折叠成所需的形状。原则上，每一个“短链”都可以经过进一步的化学修饰或扩展，因此可以被视为生成结构的像素(或三维体素)，其大小约为5nm。

研究人员设计了带有中心腔的折纸结构(图1)，在图1中a图中的其中几个适配体可以以不同的几何关系和可变的灵活性放置在多个位置。其中的1至12为适配体可以结合的位点。也就是说可以通过设计适配体在1至12的位点的位置来定量研究不同的结合构象。研究人员可以设计大片的此类DNA折纸结构，而且可以对不同的折纸块进行相应的编码，以达到空间位置识别的效果，然后在不同的折纸块上设计不同的结合结构和不同机械力学的适配体，这样就能同时对不同参数的影响进行同时的研究。

研究人员先是设计研究了不同朝向的适配体与凝血酶结合效率的影响（如图2所示），为了确定案例中的最佳结合构型，研究人员比较了将HD22固定在1位的11种不同构型的结果(图2b)。统计分析每个构型约200个配体，结果表明，配体在腔面的夹角(位置1和4)为90度左右最佳，结合率为39%。无论间隔器的设计如何，我们发现90度结构(位置1和4)总是比180度结构(位置1和7)产生更高的产率(图2c)。

除了对适配体不同朝向与凝血酶连接的影响，研究人员还设计了不同长度的适配体以研究长度即灵活性对适配体与凝血酶结合效率的影响（如图3中所示结构）。结果表明，只有当适配体连接子也具有灵活性时，结合位点连接子的灵活性才有用。我们还研究了HD22和TBA1适配体混合连接柔性的案例。我们的结果表明，HD22的附着方式不会显著改变结合率(变化约为5%)。然而，在TBA1适配体连接器中引入灵活性可以提高20%的结合收率。

综上所述，研究人员展示了如何利用基于dna的支架结构系统地设计具有多个靶蛋白适配体配体的多价结合腔。与之前基于dna的多价结合剂的工作不同，这个工作不仅控制了结合剂之间的距离，还控制了它们的方向和连接的灵活性。在使用的两个模型适配体系统中(包括凝血酶和链霉亲和素适配体)，这些参数的相互作用导致有效结合亲和力的巨大变化。

Bruker旗下的JPK Nanowizard®4三轴分立的闭环、全针尖扫描的生物型原子力显微镜。最新的JPK Nanowizard®4XP系统还配备了Bruker专利技术的Peak Force Tapping , 可以不用考虑针尖的动力学而非常轻易的成像。且还有专门针尖细胞成像的定量成像模式（QI）可以同时得到样品的表面形貌和机械性能的Mapping图。

本文相关链接：

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41557-020-0504-6#Sec20

Bruker NanoWizard®4XP 简介：

https://jpk.com/products/atomic-force-microscopy/nanowizard-4-xp-bioafm