上海應物所等在DNA折紙單分子反應中發現分子穿越現象

　　近日，中國科學院上海應用物理研究所物理生物學研究室與上海交通大學生物醫學工程院合作，在DNA折紙單分子反應的研究中獲得了重要進展，研究論文Molecular Threading and Tunable Molecular Recognition on DNA Origami Nanostructures在線發表在國際學術期刊《美國化學學會》(JACS)雜志上。

　　DNA折紙技術結合了生物DNA分子本身嚴格的互補配對原則和計算機編程技術，成為制造人為可控納米結構的有效途徑。目前，基于DNA折紙技術研究單分子反應和進行相關生物檢測已經成為一個學術界關注的前沿領域。然而，DNA折紙在界面上的吸附取向原因不明、無法控制，因此當功能化修飾的一面朝向吸附界面時，其功能性分子朝向吸附的界面表面，修飾面難以順利完成既定的功能，這將限制DNA納米機器和器件的實際應用。

　　上海應用物理研究所物理生物學研究室的博士生吳娜在研究DNA折紙上生物素與親和素的單分子識別反應動力學過程中發現，單鏈DNA分子可以“穿越”DNA折紙，與折紙另一端的分子發生反應。研究人員們猜測：兩維DNA折紙呈現納米網格結構，網格的孔洞呈現規則而有序的排列，通過分子模擬與原子力顯微鏡檢測結果顯示，這些“納米孔”的孔徑約在1-3納米間，由此，尺度合適的單鏈DNA分子，可以穿過“納米孔”。通過巧妙的圖案化設計和單分子識別反應的實時原位檢測，發現了一定長度的單鏈DNA的確可通過“納米孔”穿梭到折紙的另外一面，且在一定范圍內，其長度對分子識別反應具有顯著的調控作用，長度越長反應越快。“分子穿越”現象的發現具有重要意義，如果功能性分子能夠通過此“納米孔”，從折紙的一面穿梭到另外一面，就可改善由于DNA折紙吸附取向所造成的問題由此，揭示了一個以前被忽略的關鍵設計特點，這將為DNA折紙納米結構構建提供新視角，并為有關實驗現象提供新的詮釋依據。

　　該研究工作獲得了國家科技部、國家基金委和中國科學院的共同資助和支持。

圖1. 一端固定于DNA折紙的單鏈DNA分子“分子穿越”到另一面的示意圖

圖2. 分子模擬結果。DNA折紙網格的空洞呈現類似橢圓狀，其內徑大約在1-3納米間。