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科学家构建了包含设计的DNA纳米结构的DNA液滴

  • 科学
  • 2020-07-16 08:32:27
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在生物中,DNA是所有遗传信息的存储单位。正是利用这些信息对蛋白质进行编码,然后使生物系统能够根据生物体的生存功能发挥作用。DNA的功能由其结构决定:双链螺旋结构是通过将称为“核苷酸”的特定分子对按特定顺序(称为“序列”)连接而形成的。近几十年来,DNA纳米技术领域的科学家已经能够设计DNA序列,以构建所需的纳米结构和微结构,这些结构可用于研究生物分子功能或创建人造细胞系统。

DNA纳米技术中序列设计的定制还可以控制和编程DNA分子之间的相互作用。细胞中的分子间相互作用引起各种现象。一种称为“液-液相分离(LLPS)”的现象-在更稀薄的相中将液体分离成液滴的致密相-在许多生物过程中都起着重要作用。通过DNA纳米技术人工诱导的LLPS有助于加深我们对LLPS的适用性的理解,并提供控制生物大分子液滴的方法。

因此,由东京工业大学的一组科学家由Masahiro Takinoue教授领导,设计了特定的DNA纳米结构,以了解DNA序列的影响,并证明在人工设计的DNA纳米结构中,LLPS可以控制为LLPS(富DNA相和贫DNA相)。

他们的研究发表在《科学进展》上,涉及构建称为“ Y-基序”的Y形DNA纳米结构。Y型母题的每一侧都包含一个短的粘性末端,该末端与其他“兼容”的粘性末端相互作用(图1a)。随着温度的逐渐降低,科学家发现Y型基元可逆地团聚形成液滴,然后形成凝胶。

当他们添加另一组构造的,带有粘性的Y图案(与上一组不兼容)时,每种类型的Y图案都会形成两组液滴。这表明DNA序列可以被定制为仅与相似序列融合。

Takinuoe教授及其团队随后创建了一种特殊的DNA结构,可以将不相容的Y-基序桥接在一起。将其加入到Y基序的混合物中,形成了由两个基序组成的液滴。进一步构建特殊桥DNA结构的可裂解变异体,并随后添加某种裂解酶,导致液滴分裂(图1d和2c),混合液滴分离成Janus形液滴,含有两种类型的不可混半Y-基序(图1e和2d)。通过将货物分子与可与一种Y型基元兼容的DNA链缀合,科学家能够将货物分子专门定位在液滴的一半上。

因此,科学家们能够对DNA进行“编程”并“控制”其行为,从而为创建人工反应环境以研究生物系统和药物输送的新技术打开了大门。Takinoue教授解释说:“生命系统是组织良好的动态结构,其行为受到生物聚合物(例如DNA)中编码信息的调控。我们基于DNA的液-液相分离系统可以为人造细胞的发展提供新的基础工程。”

由于可以使用现有的生物工程技术轻松生成精确的DNA序列,因此通过DNA序列操纵物质行为的潜在应用意义深远。Takinoue教授总结说:“本研究中显示的相行为可以扩展到可以用DNA修饰的其他材料,这可以使我们设计相并为各种材料创建液滴。此外,我们设想观察到的大分子的自主行为有一天,这种结构可以用于开发与活细胞相当的机器人分子系统。”

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