清華新聞網(wǎng)5月10日電 自然界中普遍存在著多樣的生物分子開關(guān)，對(duì)各種生物通路進(jìn)行著關(guān)鍵的調(diào)控。例如蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化分子開關(guān)是最普遍和重要的分子調(diào)控開關(guān)之一。激酶和磷酸酶對(duì)多種蛋白底物的修飾是調(diào)節(jié)開關(guān)的關(guān)鍵，能夠介導(dǎo)分子通路發(fā)生上調(diào)或下調(diào)。這些蘊(yùn)含陰陽之道的分子開關(guān)調(diào)控機(jī)制啟發(fā)了清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院魏迪明實(shí)驗(yàn)室（MADlab）成員設(shè)計(jì)核酸納米結(jié)構(gòu)的分子開關(guān)。
過去的幾十年里，核酸分子作為遺傳物質(zhì)被研究的同時(shí)，也作為一種分子材料用于構(gòu)建納米到微米尺寸的非天然大分子結(jié)構(gòu)以及對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控。經(jīng)過設(shè)計(jì)的核酸納米結(jié)構(gòu)可以用于藥物遞送、分子計(jì)算、生物機(jī)器人等生物研究和應(yīng)用。對(duì)核酸納米結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)調(diào)控使其具有更豐富的功能和應(yīng)用，尤其是與酶合作進(jìn)行的調(diào)控，使核酸分子工具箱具有更多的應(yīng)用可能性。
為了解決酶促反應(yīng)介導(dǎo)核酸納米結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變換中的非特異性反應(yīng)導(dǎo)致的脫靶效應(yīng)，魏迪明課題組對(duì)核酸序列進(jìn)行了巧妙的設(shè)計(jì)，在特定的反應(yīng)環(huán)境下，酶只能對(duì)工作位點(diǎn)進(jìn)行處理，保留了非工作位點(diǎn)維持結(jié)構(gòu)完整性的需求。經(jīng)過篩選，研究使用了具有鏈置換活性的DNA聚合酶BsuDNAP大片段（不具有外切酶的活性）和嚴(yán)格識(shí)別序列的切口酶Nt.AlwI，構(gòu)建了兩種反應(yīng)環(huán)路X和Y。分子開關(guān)可以控制核酸結(jié)構(gòu)發(fā)生特定形態(tài)的解離和結(jié)合。在分子環(huán)路X中，DNA聚合酶介導(dǎo)核酸納米結(jié)構(gòu)解離，切口酶介導(dǎo)結(jié)構(gòu)聚合。相反，在分子環(huán)路Y中，相同的DNA聚合酶介導(dǎo)結(jié)構(gòu)聚合，而切口酶使結(jié)構(gòu)解離。
圖1.酶介導(dǎo)DNA納米結(jié)構(gòu)可控重構(gòu)的陰陽示意圖。兩種可逆分子開關(guān)X（左）和Y（右）由反應(yīng)路徑相反的同兩種酶驅(qū)動(dòng)
進(jìn)一步結(jié)合兩種分子開關(guān)的特性，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)核酸納米結(jié)構(gòu)的一步“剪切+粘貼”操作。對(duì)多個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割的同時(shí)，各個(gè)結(jié)構(gòu)單位也被連接在一起，組成新的結(jié)構(gòu)樣式。利用DNA聚合酶在兩種分子開關(guān)中的不同識(shí)別位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了多種數(shù)字形狀DNA納米結(jié)構(gòu)的組裝。這些結(jié)果也顯示了在分子層面上陰陽的相對(duì)與相通。
圖2.一步“剪切+粘貼”操作對(duì)DNA納米結(jié)構(gòu)的可控重構(gòu)。示意圖標(biāo)出剪切位點(diǎn)和粘貼位點(diǎn)，經(jīng)過酶促反應(yīng)后，形成數(shù)字形狀納米結(jié)構(gòu)（如數(shù)字0-9）
該研究由清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院魏迪明實(shí)驗(yàn)室（MADlab）成員完成，并以“DNA修飾酶驅(qū)動(dòng)的合成分子開關(guān)” （Synthetic molecular switches driven by DNA-modifying enzymes）為題，于5月6日在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2017級(jí)PTN博士生康宏（現(xiàn)為賓夕法尼亞大學(xué)博士后）為論文第一作者，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授魏迪明為論文的通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授梁鑫和自動(dòng)化系教授賈慶山參與了課題理論框架建立的討論。研究得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心等基金的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47742-2
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
