JACS丨可重构DNA折纸多米诺骨牌阵列中的邻近诱导图形操作

作者：杨林林

本文通讯作者为上海交通大学Dongfang Wang和Jie Song，埃默里大学Yonggang Ke。Jie Song课题组主要的研究方向是DNA纳米技术与分子通信及信息存储，智能载药系统及基因治疗，以及智能诊疗仪器的开发与应用。

本文构建了一种基于可重构DNA折纸多米诺骨牌阵列的动态图形操作（DODA DPO）系统，通过邻近诱导分子反应来执行复杂图形操作。DODA平台经一组DNA触发链“激活”，自发地进行了构象转换，构象转化进一步使图形单元紧密接近，进而发生DNA链置换级联反应，以完成“书写”，“擦除”和“移位”。

可重构DODA的复杂图形操作平台

 

图1 可重构DODA的复杂图形操作平台

与之前报道的静态DNA折纸不同，可重构的DODA是通过动态DODA单元的自组装构建的。加入触发链后，相互连接的模块动态单元将它们的结构信息转移到相邻单元（图1A），从而导致在整个DODA纳米结构变换从一个稳定的构象，到另一个稳定的构象（图1B）。DODA的转换提供了一个激活步骤，用于将平台从“待机状态”重构为相应的“操作状态”。该转化使图形单元非常接近，以进行DNA链置换级联反应，从而在分子规模上完成“书写”，“擦除”和“移位”的三种不同图形操作。这样，可以在单个平台上实现动态和可控的图形操作。

书写操作

 

图2 可重构DODA平台的“书写”操作

为了测试DODA平台的图形操作能力，首先演示了从“V”变为“Y”的书写操作，该运算需写入3点。本文利用“DNA acrobat”作为图形操作单元，其toehold介导的链置换反应有助于完成独特的图形操作。如图2A所示DODA平台，受抑制的“DNA acrobat”和立足点分别锚定在相临的DODA单元。在这个阶段，即使被抑制的“DNA acrobat”被W0激活。W3和立足点W4之间的距离（~17 nm）太长，以至于W3无法启动链置换反应，从而导致无效书写操作。因此，我们将构象转化前的DODA称为待机状态。构象转化使受抑制的“DNA acrobat”紧紧靠近W4链（~5 nm），添加释放链W0，激活了受抑制的“DNA acrobat”，W3通过链置换反应与W4链结合，使W2链可与生物素标记的W5链杂交，以可视化书写操作。在运算之前将3个受抑制的“DNA acrobat”和3个立足点并入DODA。执行转换和操作后，“读取”DODA，AFM图像的明亮突起表明已成功书写特定位置的图案。最后，我们分析了这三点的写作效率，超过90％（N = 161）的DODA书写操作成功，写出三点的效率约为28.3％，最常见的情况是写出两点（47.3％）。

擦除操作

 

图3 可重构DODA平台的“擦除”操作

作者通过设计另一种受抑制的“DNA acrobat”作为图形操作单元，进一步演示了两种擦除操作。第一种情况是常规擦除操作（图3A，3C，3D和3F），另一种情况是改进的擦除操作（图3B，3E和3G）。如图3A所示，第一种情况类似于书写操作，被抑制的“DNA acrobat”和立足点之间的距离约为17.7 nm。在转化步骤和添加释放链E0之后，被抑制的“DNA acrobat”被激活以使生物素修饰的E3掉落，从而实现擦除操作。作者设计了模式从“X”到“V”的转换执行此擦除操作，需擦除4个点（图3C）。将4种受抑制的“DNA acrobat”并入DODA，执行后，所述4点被成功擦除。要实现擦除操作，将操作图形单元固定在DODA的操作平台中至关重要。因此，首先分析了DODA之前的4个点的结合效率。统计数据显示，4点和3点的总结合效率高达70.9％（图3F），构象转化进一步提高了结合效率（72.5％）。较高的装订效率可保证擦除操作，4点和3点的总擦除效率高达80.1％。

基于上述书写和擦除操作的工作原理，同时书写或擦除三个以上的相邻点是不可行的。为了更清楚地说明此问题，作者设计了另一个示例，其中五个相邻点（黑色虚线框中的五个点）沿DODA单元平行放置（图3D）。对于中间三位（第二，第三和第四位），由于没有可用的位置（被相邻的受抑制的“DNA acrobat”占据）无法并入相应的立足点，因此无法擦除。因此，最多可使用一半的操作位置来执行图形操作，从而降低DODA DPO系统的操作图形密度。为了克服这一限制，作者设计了第二种改进擦除操作的情况。缩短受抑制的“DNA acrobat”和立足点之间的距离，从而允许预先并入更多的操作图形单元。如所示图3E，6个抑制的“DNA acrobat”并入DODA。在DODA转化之前，受抑制的DNA杂技演员与立足点之间的距离约为7.1 nm。转化后，距离缩短到3.1 nm。6点和5点的总结合效率为66.1％（图3G），增加操作图形密度可增加擦除操作。

 

移位操作

 

图4 可重构DODA平台的“移位”操作

作者进一步演示了同一平台中的图形移位操作。图形移位通过抑制的“DNA acrobat”的toehold交换迁移完成。被激活的“acrobat”通过DNA链置换反应在三个立足点上进行翻跟头运动，完成图形移位，“停止”立足点允许“acrobat”移动一定距离后停下，从而实现可控的图形移动。作者将5个抑制的“DNA acrobat”整合到DODA中，设计了DODA中的4点并行移位（图4D），实现了1、2、3和4的右移。图4F显示为单个“DNA acrobat”移动效率。1，2，3和4步的移动效率分别为83.4％，50.5％，34.3％和32.8％。随着移动次数的增加，成功移动效率降低。该结果与图4G中的结果一致，图4G中大多数读数是部分点偏移（PPS）。这是由“DNA acrobat”的可逆迁移导致的，它们在两个相互竞争的立足点之间步进。

本文工作展示了可重构的DODA DPO系统，可通过邻近诱导的分子反应执行复杂的图形操作。作为原理证明，演示了三种不同的书写，擦除和移位操作。DPO的实现得益于可重构的DODA系统的两个动态行为。第一个是DODA的构象转换，其可控、多步转换允许重新排列图形的空间组织。第二个是构象转化使邻近诱导Toehold介导的链置换级联反应得以实现。该系统的重要特征在于这两种想法的结合。作者期望DODA DPO系统将提供一种创新的方式来大大改善纳米组件和设备的复杂性和功能性，将其用于控制分子反应并进一步探究化学和生物学过程中未解决的分子机理。

Sisi Fan, Jin Cheng, Yan Liu, Dongfang Wang*, Tao Luo, Bin Dai, Chuan Zhang, Daxiang Cui, Yonggang Ke*, and Jie Song*. Proximity-Induced Pattern Operations in Reconfigurable DNA Origami Domino Array. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 34, 14566–14573.