NATURE丨利用折纸机制重构 DNA Origami

今天分享的一篇工作来自韩国首尔国立大学的Do-Nyun Kim课题组，于2023年5月发表在Nature杂志。

DNA origami，即DNA折纸术，指将DNA双螺旋结构按所设计的规则排列，进而在纳米或微米尺度上使DNA分子自组装形成任意的二维图形或三维结构。Origami一词来源于日语，是折纸的意思，但DNA Origami的自组装更类似于编织毛衣的过程。在今天的这一工作中，Do-Nyun Kim以线框型的DNA Origami为基础，展示了更近似于日常生活中的折纸术，且这一折纸过程也像真正的折纸一样可反复折叠和打开。

作者首先介绍了他们的折纸术设计原理。这一折纸术以线框型的正方形DNA origami单体为基础（图1a），每个单体origami包括1/2对折线、1/2对角折线和1/4对角折线，因此可以实现至少4中折叠（图1b）。利用线框型DNA折纸的柔韧性，并且在折线对应的origami骨架结构上设置ssDNA结合位点，配合第三条“胶水”ssDNA，便可完成折叠。引入与“胶水”ssDNA完全互补配对的释放剂ssDNA，便可通过toehold介导的链置换反应展开折纸，使之恢复原样（图1c）。作为对此设计规则可行性的验证，作者展示了将方形DNA origami沿垂直对折线和水平对折线折叠的AFM表征结果（图1d）。

图1 DNA折纸术原理

为了建立统一的折叠设计规则，作者将方形DNA origami的28条边进行的编号，并对各种折叠方式进行了命名（图2a）。作者展示了以方形DNA origami单体为基础的多种折叠形式的AFM图像（图2b）。

图2 用线框型DNA纸折叠不同形状

随后，作者研究了对于同一种折叠方式，“粘贴”边数量不同对折叠效率的影响。与预期的结果相符，“粘贴”边越多折叠效率越高，尤其对于斜对角折叠，将粘贴边从1对提高到3对，折叠效率从38%提高到94%，甚至高于对折和1/4对角折（图3a, b）。作者用他们之前开发的SNUPI分析方法模拟了在3对“粘贴”边的情况下这三种不同折叠形式所产生的应变能大小，结果显示斜对角折叠的应变能是最小的，得到最高的折叠效率，这与实验所得结果一致（图3c）。此外，对于作者使用的方形DNA origami，其每条边的中点处有一staples衔接位点，作者发现在此处设置间隙可以提高origami的柔性，从而提高对折的折叠效率（图3d）。

图3 折叠效率优化

对于同一个方形DNA origami单体，通过同时在对折和斜对角折上设置“粘贴”位点，可以实现加入不同的“胶水”ssDNA完成不同的折叠方式（图4a），作者将这一特性用于阿兹海默综合症（miR-107）和乳腺癌（miR-155）样本中过表达的miRNA的检测，通过AFM扫描读取检测结果：当存在miR-107时，发生对折，当存在miR-155时，发生斜对角折（图4b）。另外，作者展示了折叠是可逆的，通过交替加入“胶水”ssDNA和释放剂ssDNA可实现反复的折叠和打开（图4c）。并且利用DNA origami的折叠，可实现定点的荧光淬灭和恢复（图4d）。

图4 可重构、可重复折叠

利用DNA结构对pH的响应，以及通过在dsDNA磷酸骨架中嵌入光切割位点、或在dsDNA中引入偶氮苯，作者展示了DNA折纸术对pH（图5a, b, c）、紫外光（图5d, e, f）及不同波段光（图5g, h, i）的响应。

图5 pH和光驱动的折纸

更大的origami可实现更多样的变构，在未来应用中实现更丰富的功能。在这一工作的最后作者也展示了基于origami四聚体的折叠（图6a）。该四聚体由四个方形DNA origami单体组装而成，以此方形四聚体origami为基础，除去对称结构，可以实现35种不同的折叠方式（图6b）,作者在此展示了其中一部分折纸的AFM图像，包括钻石形折纸、心形折纸等。

图6 可编程的大尺寸折纸