JACS | 一种基于DNA的协同催化剂

作者：张铭芷

在化学或生物体系中，催化反应扮演着至关重要的角色。通常催化剂包括RNA和蛋白质等等，然而在工程分子系统中，DNA亦被证明可用于非共价催化反应，展示了在化学、材料及药物方面嵌入式精密控制的可能。例如，DNA催化可用于在分子诊断中的信号放大；其可进行信号回复的特性使其可用于设计逻辑电路，从而组建基于DNA的神经网络。

近期，钱露露课题组发表题为“A Cooperative DNA Catalyst”的研究文章，深入讨论了DNA元件用于协同催化反应的影响因素。

催化主要分为三类：简单催化、变构催化以及协同催化。简单催化指的是加入少量充当催化剂（X），在燃料链（F）的帮助下可以诱发大量的信号输出（Y），但不改变催化剂（X）的量。变构催化是指在需要加入诱发剂（A）的情况下，催化剂（X）在燃料链（F）的帮助下可以产生大量信号输出（Y），但在这个过程中催化效率与诱发剂（A）的加入量无关。协同催化指的是在诱发剂（A）和催化剂（X）共同存在的情况下，燃料链（F）帮助大量的信号输出（Y），在这个过程中，诱发剂（A）的加入量与催化效率呈正比的关系。

与其课题组先前的工作类似，此次设计的协同催化元件同样包括了输入催化链（X），诱发剂链（A）和燃料链（F）。在输入链（X）和诱发剂（A）出现的情况下，分别在两端向底物（GF）侵入，在完全重新互补配对的情况下，T3区域不足以稳定输出链而使得输出链游离。游离的输出链继续参与下游的信号报告，而燃料链（F）则参与底物（GF）重置而将催化剂（X）和诱发剂（A）重新释放以继续参与催化反应循环。

在底物（GF）示意图中我们可以清楚地看到其分为三个主要的组成区域，两端用于辅助链置换反应的toehold（T1，T2）短链区域，中间用于链迁移的双链长链区域（S1，S2）以及正中用于底物重置的toehold（T3）短链区域。在之前的研究中已经证明，链置换反应速率与toehold长度以及链迁移的长度相关。对于该工作讨论的协同催化反应而言，每一个反应步骤，包括toehold结合（速率常数kf）,链迁移（速率常数kb）和toehold解离（速率常数为kr）均需纳入考虑。

可以清楚地看到，只有输入链（X）或诱发剂链（A）存在的情况下，协同反应不能发生，没有输出链（Y）产生。通过实验也很好地印证了这一假设。

接下来作者讨论了参与协同催化最重要的元件，底物（GF）的设计。根据链置换反应理论，T1和T2主要影响侵入链（X和A）的结合速率，而T3主要影响原双链的解离速率。若要顺利完成侵入链对S1、S2区域的链置换，需要使得T3的长度不能长于T1和T2。此外，考虑到燃料链（F）后续的回复反应，T3亦不能过短以影响底物（GF）再次生成的效率。

因此，作者继续讨论了除了7-nt以外T3可使用的另外两种可能的长度，分别是5-nt和4-nt。结果表明，稍短的T3更有助于输出链（Y）报告的产生。

作者紧接着尝试探讨在branch部分引入摆动碱基对的可能：在S1、S2中引入一些G-T互补配对，以期达到在不影响输出链（Y）产生速率的情况下，使得侵入链（X和A）更快游离到体系中继续参与协同催化反应。作者讨论了两种情况：只有S2上某个特定的碱基由C变为T与S2*中的G配对；以及输出链上该位置的C和S2上同一位置的C均用T替换与S2*的G配对。实验表明，诱发剂（A）的催化性能有所改善，当其为0.1×时，输出链（Y）的动力学表现为更快。此外，作者还指出这种催化效率的改变也与G-T的位置有关。

综上所示，作者展示了一种基于DNA元件的协同催化反应的实现，提供了一种新的AND逻辑门的设计思路，并详细探讨了其设计原理。这对DNA逻辑电路的设计和应用有新的启发。