DNA纳米技术的新突破

在一项新的研究中，Hao Yan和他的同事Nicholas Stephanopoulos和Petr Sulc探索了一种用于制造许多DNA纳米形态的基本构件。这种由两段双链DNA组成的连接点被称为Holliday接合点，它被用来形成纳米级别的复杂的、自组装的晶体晶格(大约是人类头发宽度的7.5万分之一)。

　　

   

   

Hao Yan，分子设计与仿生学生物设计中心主任

在生物分子的世界里，没有什么比DNA更具有标志性，也没有什么比DNA更多功能。大自然利用著名的双螺旋结构来存储所有生命形式的蓝图，由四个字母组成的核苷酸组成。

DNA纳米技术领域的研究人员受到自然界用这种基因原材料塑造的看似无穷无尽的生命形式的启发。该领域试图模仿自然的创造性企业，甚至扩展DNA架构的可能性，超越自然所创造的。

在一项新的研究中，Hao Yan和他的同事们探索一种用于制造许多DNA纳米形态的基本构件。这种由两段双链DNA组成的连接被称为Holliday连接，它被用来在纳米尺度形成复杂的自组装晶体晶格（人类头发直径的1/75,000)。

“结构DNA纳米技术的最初设想是合理设计具有DNA连接的自组装3D晶体，”Yan说。“用于这个目的的基本结构母题是基于Holliday连接部分。”

这种结构以分子生物学家罗宾·霍利迪的名字命名，他在1964年首次提出了这种结构的存在。Holliday连接在自然界中扮演着重要的角色，它们参与了一个被称为同源重组的过程，这是在生物中产生新的遗传变异的驱动力。

自DNA纳米技术诞生以来，这一领域取得了显著的进步，利用DNA组件设计复杂美丽的微小结构，以及纳米尺度的设备，其应用涉及光子学、计算机存储、生物传感和组织再生等多种领域。

Yan教授一直走在该领域快速变革的前沿，设计了无数有用的纳米建筑形式，从侧翻纳米机器人和DNA蜘蛛到抗癌的寻找和摧毁装置。

这项新研究使用结晶学技术来描述Holliday结的36种基本变体的特征。结果表明，一个给定的Holliday连接对于晶体纳米结构的构建的有效性不仅敏感地依赖于形成连接的四个核苷酸对的排列，而且还依赖于形成连接的四个突出臂的序列。一些DNA序列会增强这些形态的结晶过程，而36个Holliday结变中有6个由于无法形成晶体而被认为是“致命的”。

Yan教授是亚利桑那州立大学分子科学学院生物设计中心(BCMDB)的主任。

这项研究成果首次系统地研究了Holliday连接，最近发表在Nature Communications上。

“这项研究的挑战之一是确定为什么一些Holliday连接可以产生晶体，而另一些不能。从经验上讲，我们可以研究那些结晶点的晶体结构，但要了解那些没有结晶点的致命结晶点排列的行为，就需要计算化学。为此，我们与捷克科学院的Miroslav Krepl博士和Jiri Sponer教授合作，他们模拟了所有的Holliday连接在原子分辨率，并获得了关键的见解，致命的连接不能结合离子稳定构像。这一努力提供了一个很好的例子，计算机建模和实验可以共同解释复杂的现象。”

这项新研究为新形式的设计和开发提供了宝贵的线索，这些新形式将被添加到不断增长的纳米结构和纳米器件中，服务于电子、成像、计算机科学和医学的广泛应用。

The influence of Holliday junction sequence and dynamics on DNA crystal self-assembly