JACS丨基于生物催化级联的光触发平衡和瞬态正交操作结构动态网络
大家好，今天为大家分享的文献是2024年2月发表于JACS上的“Phototriggered Equilibrated and Transient Orthogonally Operating Constitutional Dynamic Networks Guiding Biocatalytic Cascades”。
图1 基于生物催化级联的光触发平衡和瞬态正交操作结构动态网络设计框架
作者介绍
本文的通讯作者是来自以色列希伯来大学化学系的Itamar Willner教授。Willner课题组利用DNA、蛋白等生物大分子，结合金属纳米颗粒，构建了一系列生物/纳米功能自组装体系并开发了生物纳米催化新方法，如DNA分子机器、逻辑门、杂化组装体、多层级组装体等。基于上述功能组装体，Willner课题组提出了“DNA动态网络”这一化学新理念，为深入研究生命过程中生物大分子非平衡组装行为及潜在应用提供了新的平台与有力工具，进而为系统研究人工光合成/光保护新体系及相应能量耗散提供理论依据。
研究背景
几乎在所有的生命进程中如细胞增殖、运动、基因表达、信息交流等，都是由复杂的动态网络与电路引导调节的。受生命系统的启发，模拟自然电路动态网络是目前研究的一大热点。DNA纳米技术凭借信息的可编程性和结构的多态性为开发动态网络系统提供了优异的结构材料，如使用不同的辅助触发器，如燃料链，G-四链体等诱导信号促进结构重构。然而，开发合成动态电路的挑战之一是组成网络、电路和反应模块的精确调控，以防止电路内干扰交叉相互作用，同时保持框架的期望功能。光作为切换核酸机器的动态平衡和重新配置的触发器具有特别的吸引力，因为它提供了快速的信号响应，且不需要添加化学成分就可以改变反应框架的组成。此为，光的引入也可以对生命起源系统提供新的见解。本工作通过引入邻硝基苯磷酸酯笼状发夹核酸系统作为生成结构动态网络(CDN)的方法，在燃料链的触发下，光生成的CND与辅助CDN相互作用，引起系统的重新配置。通过葡萄糖氧化酶(GOx)/辣根过氧化物酶(HRP)或乳酸脱氢酶(LDH)/烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)修饰在辅助CDN中，光生CDN驱动辅助CDN中GOx/HRP和LDH/NAD+生物催化级联的正交操作。同时，光生成的CDN被用于控制偶联CDN的重新配置，上调/下调抗凝血酶适体的形成，进而调控凝血酶活性(纤维蛋白原凝固)。最后，通过在硝基苯磷酸笼DNA发夹中修饰GOx/HRP，耗散CDN的光诱导进化，燃料驱动正交调控的双酶级联的上调/下调瞬态操作(图1)。
结果讨论
图2 基于光触发的邻硝基苯磷酸盐笼状发夹核酸形成的结构动态网络(CDN X)
首先，作者构建了一个光触发的结构动态网络CDN X，当紫外光365 nm激发时，PC linke断裂使得被切割的发夹链形成四种组成成分(AA'/ BB'/ A'B /AB')重新平衡在一个动态的[2 +2] CDN X动态网络结构中(图1A)。每个新出现的成分都包含一个Mg2+离子依赖的DNAzyme单元。这里的DNAzymes作为报告单位，定量监测各自成分的浓度。如图1B-C所示，其分别展示了CDN X中四种组成成分在不同的时间间隔(i) 0, (ii) 1, (iii) 3, (iv) 5, (v) 10, (vi) 15, 和 (vii) 25 min，底物荧光变化与生成各成分浓度变化。随着光照时间的增加，各成分的浓度增加。同时，在大约10 min的光照后，(AA'/ BB'/ A'B /AB')成分的浓度趋于饱和。
图3 基于光触发的CDN X和两个辅助CDN K'/J'用于酶催化活性的正交调控
接下来，作者利用光诱导构筑的CDN X操纵两个偶联系统CDN K/J的生物催化级联的正交反应。如图3A所示，两个光响应发卡核酸结构(HAB'和HBA')和两个燃料发卡组成的反应模块(HP/HN)，偶联到两个生物催化级联的CDN K和CDN J。紫外光照下CDN X各组成成为之间会快速再平衡。同时，激活状态中CDN X的BB'和AA'组分形成的DNAzyme催化HP和HN裂解生成HP‑1和HN‑1。由此产生的HP‑1稳定成分DD' (DD'/HP‑1)，导致组分CC'和DD'浓度上调，组分CD'和DC'下调。成分DD'的上调会引起GOx/HRP生物催化级联的增强。同理，在CDN J中借助HN-1的生成稳定组分FE'，使得FE'和EF'上调，EE'和FF'下调。FF'含量下调导致LDH/NAD+催化级联下调。CDN X中各成分浓度随光照时间的变化引导系统中时间正交的生物催化级联进行(图3B-C)。基于光触发的CDN X和两个辅助CDN K'/J'的调控可以实现GOx/HRP生物催化级联瞬态增强，而LDH/NAD+级联瞬态抑制。
图4 基于光触发的CDN X和两个辅助CDN Ga/b用于凝血酶活性的正交调控
基于上述的研究结果，作者利用该动态网络结构探究了时空维度上凝血酶活性对血液凝固的影响，如图4A所示。反应模块由两个光响应硝基苯磷酸盐笼发夹HAB'和HBA'以及两个燃料发夹HP和HN组成，备用模块为两个CDN，即CDN Ga和CDN Gb。发夹HAB'和HBA'接受紫外光照时，导致发夹HP的裂解，产生稳定组成的双环结构的触发器HP – 1。L '的稳定上调了LL'和KK'，下调了KL'和LK'含量，产生具有凝血酶抑制适体含量上调的CDN Ga结构。反之，将光去保护的CDN X置于发夹HN下，产生的HN‑1链稳定了CDN Gb中的组份QP'。组分的稳定QP'导致组分QP'和PQ'的上调，PP'和QQ'的下调，进而使得CDN框架的凝血酶适体含量较低，从而导致框架的凝血酶抑制效果较低。图4B结果表明了该框架可进行定向时间上调凝血酶抑制功能。图4C显示了与凝血酶凝血率相关的Vmax值的时间变化。也就是说，在CDN Ga和Gb以及燃料链HP或HN存在的情况下，光触发生成的CDN X可通过时空维度下调或上调纤维蛋白凝血率。
图5基于光触发CDN Y瞬时重构CDN Y1/2系统对生物催化级联正交操作的瞬态激活。
最后，作者发展一种瞬态正交生物催化级联的光触发结构动态网络(图5A)。该反应模块由GOx/HRP修饰的光响应发夹结构HHG'/HGH'，双发夹A1B1和A2B2，切口酶Nt.BbvCI组成，通过燃料链A1'或A2'实现对光生成反应模块组分组成的瞬态控制，应用动态网络行为实现了瞬态生物催化级联的发生。将燃料链A1' 加入“静息态”CDN Y，使得A1/B1位移生成A1/A1'，释放的B1稳定组分GG'，CDN Y重新配置为CDN Y1。GG '的稳定导致GG '的上调，进而GOx/HRP的生物催化级联活性增强。然而，当双链A1/A1'中的A1'链被切口酶NtBbvCI切割，此时A1链取代了B1，破坏了组分GG'的稳定，导致CDN Y1暂时回到CDN Y状态。同样，将燃料链A2'引入瞬态反应模块，会导致双链A2/B2的位移，导致组分HG'的稳定与上调，此时HH'的下调会导致CDN Y2中GOx/HRP生物催化级联的速率降低。双链A2/A2'中的A2'链被Nt.BbvCI的切割，释放的A2取代B2，CDN Y2重新回到静息状态的CDN Y。生物催化级联各自的时间催化速率如图5B所示。显然，光生成的CDN Y在燃料A1'加入后向Y1的转换伴随着GOx/HRP级联催化速率的增加。图5C显示了GOx/HRP生物催化级联在瞬态转化CDN Y时的催化速率， A2'催化的CDN Y到CDN Y2并返回到CDN Y的短暂重构伴随着GOx/HRP级联的快速抑制，随后CDN Y的催化速率的短暂恢复。图5D展示了在光生成的CDN Y上依次施加燃料链A1'和A2'时，生物催化级联的顺序瞬时上调和下调过程。
总结
本文通过将邻硝基苯磷酸酯笼状核酸发夹结构引入到结构动态网络(CND)中，作为功能反应模块，产生燃料信号链，对两个辅助CND进行正交重新配置。此外，将光触发CDN进化的概念应用于指导辅助CDN电路的定向燃料触发操作，调控凝血酶刺激的纤维蛋白向纤维蛋白原的上调/下调。最后，借助两种辅助燃料驱动光触发CDN反应模块，即正交上调/下调的瞬态生物催化级联。总之，笼状发夹DNA结构的光保护及其动态重构在材料科学领域具有广泛的适用性，例如，制备刺激响应性DNA水凝胶，DNA门控载体等。
原文链接
Yu Ouyang and Itamar Willner. Phototriggered Equilibrated and Transient Orthogonally Operating Constitutional Dynamic Networks Guiding Biocatalytic Cascades. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 10, 6806–6816.https://doi.org/10.1021/jacs.3c13562
