Sci Robot丨利用Tile置换实现DNA折纸结构的模块化结构重组

今天分享的这一工作来自加州理工学院的Lulu Qian课题组，于2023年4月发表在Scicence Robotics上。

生命体的进化能力来自于他们对环境的适应性，但最终受限于基因和繁殖的时间尺度。人工分子机器不应将适应性作为其唯一核心，而且应将其应用于更大的设计空间和更快的时间尺度。模块化机器人可以通过自我重构（一种大规模的适应形式）来执行多种功能。由模块化、可重构组件组成的分子机器可能构成未来合成细胞动态自重编程的基础。为了实现 DNA 折纸组装体的模块化结构重组，作者在此前的工作中提出了一种tile置换机制，实现了进攻tile（Invader）在动力学上可控地置换阵列中的另一个tile单元。在这一工作中，作者建立了以不同形状的复杂tile组装体为invader的结构重组。具体的，作者提出了toehold和branch migration区域的配置方法，大大提高了tile置换反应的设计空间。在此之上，作者实现了构建多个tile单元组装而成的，具有不同尺寸的进攻体，并实现了tile置换介导的三维结构-二维结构变换。

图1展示了作者利用他们提出的规则将一把“剑”变形成一条“蛇”的设计。具体的实验结果展示在这篇工作的末尾部分。

Fig. 1. Design of a sword-shaped assembly reconfiguring into a snake-shaped assembly.

作者首先了定义了tile置换，并提出了基于正方形DNA折纸结构的tile置换反应设计规则。如图2所示，类似于TMSD，一个基本的tile置换反应包含由cover tile (CT)和base tile (BT)组成的二聚体(CT:BT)和invader (Inv)两个部分。CT:BT结合处暴露有一段未配对的接口，可用作Inv结合的toehold，从而将CT从BT上置换下来。作者在这里提出了设计规则来丰富tile置换反应的丰富度。首先根据Inv参与反应的边是sticky ends还是loop，将其分为receiving和giving两类，由于tile置换包含toehold和branch migration两部分，这样便有4种组合，即G-G、R-R、G-R和R-G，如图2A所示。通过分别在BT和CT修饰荧光基团，作者研究了这四种组合的反应速率的区别，结果显示不同的toehold、branch migration组合对反应速率的影响不大。又因为每一条参与tile置换的staple可以分别从5’或3’伸出sticky ends，因此，这4种组合扩大到8种。对于G-R和R-G，toehold和branch migration可以分别存在于方形折纸单元的四条边之一，且toehold的位置又可以简单地分为左边或右边，因此对于G-R、R-G这两种组合，可以有4x4x2x2=64种可能的反应。作者通过间接排列toehold的sticky ends 或loop的方式，将tile置换反应的可能组合进一步扩大到1104种（欲知详情请阅读supplementary information）。由于其中同一边自我互补配对形成二聚会降低tile置换反应效率，排除这种设计后有832种组合。这一设计规则丰富了以方形DNA折纸为单元模块的tile置换反应可能性，为丰富的、复杂的DNA折纸复合体结构重组提供了可能。

Fig. 2. Design space and robustness of tile displacement reactions.

上面提到，当一条边和自己互补的时候，方形DNA折纸单元会自己形成二聚体。于是作者研究了这种情况对于大结构组装效率的影响。如图3所示，在“剑”的几个单元模块中，tile S1存在一个E4G4，会自我配对形成二聚体。AFM扫描结果显示，这一设计最后得到的结构中确实有一部分只有一个剑的护手部分（图3B，橙色方框）。作者对结构重新设计，消除自配对的单元模块后，将完整的结构的得率提高了8.3%。

Fig. 3. Improving the yield of tile assembly by avoiding self-occluding edges.

当需要以方形DNA折纸为单元组装更大的结构时，可能会涉及到如图4a的2X2的方形结构。此时我们会发现单元结构的四个边都参与到结构组装中，如果需要以2x2的大方形为单元继续下一级的组装就需要在其中一个小方形上设置参与反应的边（tile H1），于是难以避免地会出现单元自配对的情况，从而降低大结构的组装效率。作者巧妙地将2x2结构内部组装的边缘设置成部分配对，从而降低了单元自配对的效率（62.8%），从而提高了正确组装体的得率（78.2%）。

Fig. 4. Improving the yield of a multitile invader.

此外，作者发现通过调整各个单元的化学计量比，可以控制最终组装体的尺寸分布。例如图5所示，按照设计，这一蛇尾结构是a(ba)_nc的组装体，可以猜想当a:b=(n+1):n时，主要得到偶数个单元的组装体，通过对组装体的AFM扫描结果进行统计，与预期相符。且当降低用于终止结构延伸生长的tile c的化学计量比时会得到更多更长的组装体。

Fig. 5. Controlling the length distribution of polymers with tile ratios.

然而作者发现，在上述实验的AFM统计中，有超过50%的结构都是只含有ab单元的组装体。作者猜想，ab组装体是否因为弯折成筒状结构，使tile c无法参与组装。作者在图6的实验中验证了他们的猜想。

Fig. 6. Verifying the formation of barrels.

通过设计tile置换的toehold，作者尝试了使用tile c打开筒状的ab组装体（图7）。

Fig. 7. Reconfiguration of barrels to flat structures.

最后，在建立、优化后的设计规则上，作者尝试了DNA折纸组装体的结构变换。如图8所示，通过向组装好的“剑”里分别加入“蛇头”、“蛇尾”部分，实现了对应部分的置换组装。当同时加入“蛇头”、“蛇尾”，可以直接完成从“剑”到“蛇”的形状变换。

该工作为以DNA折纸为结构单元的大型的DNA折纸的组装、结构重组提供了可利用的设计原则，实现了以简单的结构单元实现丰富的tile置换反应，有望用于复杂的结构组装和变构。

读者若有兴趣深入了解这一工作的诸多细节，请阅读原文或联系小编，谢谢。

Fig. 8. Reconfiguration of sword to snake.