Small:另辟蹊径——预设像素高效制备DNA折纸纳米图案

DNA折纸术是一种通过数百条短链(订书钉链)对一条长链(骨架链)进行折叠,制备任意形状DNA纳米结构的技术。从结构上看,一个DNA折纸如同一个拥有数百个纳米级像素的点阵,通过对其中某些订书钉链进行修饰即可在该折纸范围内构建任意的图案。凭借易于合成、形状可控等优势,DNA折纸在生物传感、生物医学、纳米光电子学等领域具有广阔的应用前景。然而,按照现有方法,DNA折纸的自组装过程异常复杂,数百条DNA链在溶液中进行完全随机的组装。更为不利的是,一旦折纸折叠完成即难以对图案进行变更,唯一的方式是重构整个订书钉链库,即按照最终图案的像素信息将待更换的修饰订书钉链与剩余的普通订书钉链重新混合。由于一个订书钉链库包含数百条链,如若通过人的手工操作,将需要数百步才能重构完成,这为纳米图案的高效构建带来了艰巨的挑战,也阻碍了DNA折纸术的广泛应用。

中国科学院上海应用物理研究所王丽华和同济大学柳华杰等展开合作,提出根据DNA折纸的结构具有鲜明网格化的特点,在对应的图案网格内预设修饰像素(P-strands)的思路,即先将所设计图案的像素预先定位在对应位置的网格内,然后再与一个无任何修饰的通用像素库(Universal staples)混合。由于预设像素优先占据了网格点,通用像素只能占据剩余的网格点,从而一方面对图案的组装过程进行了调控,另一方面极大降低了工作量,从而高效获得了多种纳米图案。相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.202000793)上。

在实际操作中,通用像素库即一个包含有对应该折纸所用普通无修饰订书钉链的混合物,而预设的修饰像素链分为两部分,即寻址区和功能区。寻址区为一段长约40碱基的序列,目的是与特定网格点的骨架链杂交配对,因此决定了该像素链在DNA折纸中的位置;并由于优先和骨架链结合,能在折纸折叠过程中保证像素链在与普通订书钉链的竞争中不落下风,以防止像素丢失。功能区则是行使特定功能的区域,由图案的组成决定,比如在构建链霉亲和素图案时,我们在功能区修饰生物素位点。通过构建包含1-9个位点的链霉亲和素图案并与理论产率对比,我们证实了采用像素链的方法在图案制备上的高效和可行性。同时,由于采用骨架链作为图案信息的唯一载体,我们成功地在同一反应环境中制备出了多种不同的图案,并且每组图案的比例可通过调整骨架链的修饰进行控制。此外,由于像素链在骨架链上呈现线性排布,因此我们在像素链的寻址区末端加入一段用作toehold黏性末端的序列,成功地引发了链置换反应,可实现对已形成图案的动态变换。而通过对功能区的调整,该方法可以适用于构建包含不同纳米单元的图案。我们在功能区引入特定的黏性末端组装纳米金,在折纸模板上构建了具有光学活性的纳米金四聚体结构,其中一个纳米颗粒与其它三个分别位于折纸的两面。通过改变对应像素链的寻址区,我们可以对该纳米颗粒在折纸上位置进行调整,从而构建具有相反光学活性的四聚体结构。由于在制备任何图案时使用的都是无需改变的通用像素库,相比传统方法,这种方法只需短短几步就可重新构建一个完全不同的图案,极大简化了工作量。

该工作提出的高效构建DNA折纸图案的新方法,不仅调控了组装动力学路径,极大简化了构建多种DNA折纸图案的流程,使DNA折纸在信息储存等领域的应用成为可能,同时由于图案信息的写入(骨架链修饰)和读取(折纸折叠)过程的分离,也为该方法在安全通信上的应用带来可能。