NATURE COMMUNICATIONS I 通过机械控制模块化元件对DNA折叠结构进行多态设计

  DNA作为生物细胞内携带合成RNA和蛋白质所必需的遗传信息的一种核酸，是生物体发育和正常运作所必不可少的元素。在碱基互补配对原则下，两条互补的DNA单链结合在一起，保证了信息的准确性。随着科学技术的不断发展，科学家的深入研究和逐渐解密也发现了DNA的结构并不是一层不变的。现在DNA可以被人为地设计并“折叠”出你想要的形状和图案。

  2017年 Chanseok Lee, Jae Young Lee & Do-Nyun Kim 等科学研究者们于2017年12月12日在 Nature  上（https://doi.org/10.1038/s41467-017-02127-6）发表了“通过机械控制模块化元件对DNA折叠机构进行多样化设计”，他们提出一种基于模块化的合理设计方法，可以从一组参考DNA钉书钉中创建具有可控制的几何形状和柔韧性的独特弯曲形状。通过修改所需模块内的DNA订书钉连接性，可以精确地控制铰链的位置，刚度和夹角，从而能够构建数十个单铰链或多铰链结构。该设计方法与计算形状预测和分析相结合，可以为设计具有刚度可调单元的DNA折叠形状提供通用且经济高效的方法。

  模块化设计方法开始于通过绘制填充横截面的周期性支架路径来划分结构。单元模块区域夹在两个对齐的支架交叉点组成的横截面之间，称为接缝区域（图1a）。这些支架接缝区域在阻止序列改变的传播以及增加结构稳定性方面起着核心作用。基本上，通过使用六边形格子填充物用钉子在模块区域中的螺旋填充来构造结构模块，并保持其刚性状态。为了使柔性铰链模块具有旋转自由度，可以简单地消除构成结构模块的现有DNA订书钉，同时在横截面上保持支架股（图1b），而不是减少DNA螺旋的数目如在以前的研究中。铰链模块的弯曲刚度可以通过控制 dsDNA的数量和铰链模块内部的订书钉交叉点来调整。并且长支架螺旋穿过主体到设计的可调节铰链，其长度可以很容易地通过调节器模块而变化（图1c）。随着它的缩短，结构的夹角减小，并且调节器股线的其余部分存储在结构末端的容器中。调节链基本上是在支撑钉的帮助下形成为dsDNA。

图1.模块化设计的示意图。a.蓝线表示支架链（简化为清楚地示出它的途径）。支架交叉点在横截面上对齐，并且这些部分以规则的间隔放置。模块区域（显示为绿色阴影区域）位于支架接缝之间。基本上，结构模块的所有螺旋都是双链的，并且所有可能的DNA订书钉交叉位置都已连接。b.铰链模块可以通过去除结构模块中的钉书钉而制成，而模块中未结合的支架ssDNA保留在横截面上。通过控制dsDNA和钉交换的数量，可以调节铰链模块的弯曲刚度。在整个修改过程中，接缝区域保持完全连接，以确保结构稳定性。c.一个12螺旋蜂窝网格束设计，以说明控制结构形状的方法。为了从笔直的结构上制成弯曲的结构，移除结构模块的DNA钉书钉，并更换调节器模块组件，以使调节器股线更短。消除了过多的支撑钉。

图2.从直线12螺旋蜂窝网格参考结构演示了24种结构变化。每个接缝区域的长度约为28 nt（〜9.5 nm），结构模块L1和R3为63 nt（21.4 nm），其余结构模块的长度为35〜42 nt（12〜14.3 nm）。总共180个订书钉构成了参考结构，由108个体订书钉，60个接缝订书钉和12个支柱订书钉组成。下面的AFM图像充分证明了实验设计的准确性。

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