设计和展示酶促核酸反应分子开关

　　

自然界中普遍存在着多样的生物分子开关，对各种生物通路进行着关键的调控。例如蛋白质磷酸化和去磷酸化分子开关是最普遍和重要的分子调控开关之一。激酶和磷酸酶对多种蛋白底物的修饰是调节开关的关键，能够介导分子通路发生上调或下调。这些蕴含阴阳之道的分子开关调控机制启发了MADlab成员设计核酸纳米结构的分子开关。

在过去几十年的发展中，核酸分子作为遗传物质被研究的同时，也作为一种分子材料用于构建纳米到微米尺寸的非天然大分子结构以及对其进行动态调控。经过设计的核酸纳米结构可以用于药物递送，分子计算，生物机器人等生物研究和应用。对核酸纳米结构的动态调控使其具有更丰富的功能和应用，尤其是与酶合作进行的调控，使核酸分子工具箱具有更多的应用可能性。

为了解决酶促反应介导核酸纳米结构动态变换中的非特异性反应导致的脱靶效应，本文作者对核酸序列进行了巧妙地设计，在特定的反应环境下，酶只能对工作位点进行处理，保留了非工作位点维持结构完整性的需求。经过筛选，本研究使用了具有链置换活性的DNA聚合酶Bsu DNAP大片段（不具有外切酶的活性）和严格识别序列的切口酶Nt.AlwI，构建了两种反应环路X和Y。分子开关可以控制核酸结构发生特定形态的解离和结合。在分子环路X中，DNA聚合酶介导核酸纳米结构解离，切口酶介导结构聚合。相反，在分子环路Y中，相同的DNA聚合酶介导结构聚合，而切口酶使结构解离。

图1. 酶介导 DNA 纳米结构可控重构的阴阳示意图。两种可逆分子开关 X （左）和 Y（右） 由反应路径相反的同两种酶驱动。

进一步结合两种分子开关的特性，本文作者实现了对核酸纳米结构的一步“剪切+粘贴”操作。对多个结构进行切割的同时，各个结构单位也被连接在一起，组成新的结构样式。利用DNA聚合酶在两种分子开关中的不同识别位点，实现了多种数字形状DNA纳米结构的组装。这些结果也显示了在分子层面上阴阳的相对与相通。

图2 一步“剪切+粘贴”操作对DNA纳米结构的可控重构。示意图标出剪切位点和粘贴位点，经过酶促反应后，形成数字形状纳米结构（如数字0-9）。

该研究由清华大学生命科学学院MADlab（魏迪明实验室）成员完成，论文成果题目为“DNA修饰酶驱动的合成分子开关” （Synthetic molecular switches driven by DNA-modifying enzymes）于2024年5月6日在线发表于《自然通讯》（Nature Communications）。

清华大学生命科学学院已毕业的2017级PTN博士生康宏（现为宾夕法尼亚大学博士后，从事非天然核酸相关研究）为本文第一作者，清华大学生命科学学院魏迪明副教授为本文通讯作者。生命科学学院梁鑫副教授和自动化系贾庆山教授参与了课题理论框架建立的讨论。本研究获得科技部、国家自然科学基金委、清华-北大生命科学联合中心等基金资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47742-2