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折紙機制，以其獨特的能力和優(yōu)勢，在可重構(gòu)宏觀系統(tǒng)的構(gòu)建中得到了廣泛的應用。

然而，盡管基于DNA自組裝的各種動態(tài)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被開發(fā)出來，但由于缺乏合適的設計原則，它幾乎沒有被用于分子水平系統(tǒng)的構(gòu)建。

在此，來自韓國首爾國立大學的Do-Nyun Kim等研究者提出了一種利用紙張折疊機制來創(chuàng)建可重構(gòu)DNA折紙結(jié)構(gòu)的方法。相關(guān)論文以題為“Harnessing a paper-folding mechanism for reconfigurable DNA origami”于2023年07月05日發(fā)表在Nature上。

與此同時，該篇文章登上同期的Nature封面，其重要性不言而喻。

分子架構(gòu)旨在構(gòu)建具有有用動態(tài)和功能特性的復雜超分子組裝物，需要穩(wěn)健的設計原則，以便分子結(jié)構(gòu)能夠可靠地響應外部刺激而改變其形狀。DNA折紙已經(jīng)使得在高度可編程的方式下開發(fā)出這樣的響應性和可重構(gòu)的結(jié)構(gòu)，例如由鏈式位移反應控制的折疊/展開行為的動態(tài)系統(tǒng)、可調(diào)節(jié)的機械性能、結(jié)合相互作用和陽離子或酸性濃度。

然而，大多數(shù)這些系統(tǒng)僅限于在簡單開放和關(guān)閉配置之間切換，只有少數(shù)最近的研究展示了沿著設計的運動學路徑更復雜的重構(gòu)。

在這里，受到一張紙可以折疊成多種形狀的啟發(fā)，研究者提出了系統(tǒng)的和多功能的形態(tài)轉(zhuǎn)變編程到單個DNA折紙結(jié)構(gòu)中，使它們能夠在不同的環(huán)境刺激下折疊成(并從)多個配置中進行自反性、可重復性和可靠性。

紙張折疊機制需要一個類似紙張的可重構(gòu)DNA折紙作為參考結(jié)構(gòu)，嵌入折痕圖案，便于折疊和展開。為此，研究者設計了一種參考“DNA線框紙”折紙，其邊緣沿著目標折痕圖案和紙的邊界形成(圖1a)。邊緣由雙螺旋束(2HB)組成，其硬度足以保持整體結(jié)構(gòu)的完整性。

為了實現(xiàn)DNA線框紙中的各種褶皺(圖1b)，研究者將單鏈DNA懸垂(表示為折痕手柄)納入折疊線(圖1c)，折疊線有兩種類型:3 ‘(粉紅色)和5 ‘(橙色)。懸垂部分由8-nt長的ssDNA鍵合和3-nt長的聚(T)堿基作為間隔(黑色)組成。

DNA線框紙的折疊是通過添加與兩個折痕手柄的序列互補的膠鏈來激活的。每個膠鏈的末端都有一個5 nt長的支點，當加入與膠鏈互補的釋放鏈時，可以通過支點介導的DNA鏈位移來展開折疊結(jié)構(gòu)。

在此，研究者利用DNA鏈位移實現(xiàn)了幾種類似紙的折疊和展開模式，并且產(chǎn)量很高。展示了正交折疊、可重復折疊和展開、基于折疊的microRNA檢測和熒光信號控制。由pH值或光源變化觸發(fā)的刺激響應性折疊和展開也是可能的。

此外，通過采用分層裝配，研究者可以以高度可編程的方式擴展折紙機構(gòu)的設計空間和復雜性。由于其高可編程性和可擴展性，研究者期望提出的基于紙張折疊的重構(gòu)方法將推動復雜分子系統(tǒng)的發(fā)展。

圖1. 可重構(gòu)DNA折紙的折紙機制

圖2. 在DNA線框圖紙上編寫各種折疊模式

圖3. 折疊率的優(yōu)化

圖4. 折疊的屬性

圖5. 通過pH值和光照控制環(huán)境折疊

圖6. 可編程大尺寸折疊與聚合 DNA 紙

綜上所述，研究者的研究結(jié)果表明，可重構(gòu)的DNA折紙結(jié)構(gòu)可以在納米尺度上實現(xiàn)折紙，因此這種方法的價值。

然而，為了在大尺度折紙工程中進一步實現(xiàn)重構(gòu)，必須通過優(yōu)化內(nèi)聚連接器的結(jié)合強度或采用平行半交叉策略來提高分層組裝的低成品率，從而將更復雜的折痕圖案和形態(tài)動作嵌入到更大尺寸的DNA紙中。

在線框邊緣添加螺旋以進行形狀互補裝配或邊緣強化，可能是實現(xiàn)魯棒分層裝配的另一種方法。其次，DNA線框紙的力學性能和動力學的合理設計對于精確控制重構(gòu)的最終狀態(tài)，以及狀態(tài)之間的動力學和構(gòu)象轉(zhuǎn)變途徑都很重要。最后，應研究將設計原則延伸到三維折紙折疊圖案，以充分利用折紙技術(shù)的優(yōu)勢。

文獻信息

Kim, M., Lee, C., Jeon, K.?et al.?Harnessing a paper-folding mechanism for reconfigurable DNA origami.?Nature?619, 78–86 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06181-7

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06181-7

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