Source:狄光辉Author:admin Addtime:2026/01/22 Click:
DNA作为一种生物高分子，最广为人知的作用是储存、传递并演化地球绝大多数生命活动所需的遗传信息。
根据基因聚电解质理论，DNA的聚磷酸骨架是其实现遗传信息功能的核心结构特征：骨架上重复的电荷主导着DNA的生物物理性质，使其在遗传信息改变的同时，水溶性、形成规则双链以及被参与其调控、转录和复制的酶识别的能力不会发生本质变化。
这与另一种重要的生物高分子——蛋白质形成了鲜明对比，蛋白质的骨架具有重复的偶极矩，即便单个氨基酸的替换，也可能导致其空间结构发生灾难性解折叠、聚集并发生沉淀。
DNA骨架上重复的电荷还使其能通过简单的相互作用形成双螺旋结构，具备基础生物化学知识的研究者均可利用这一特性开展相关研究。
DNA的聚阴离子骨架迫使双链中的核苷酸碱基远离骨架，通过其沃森-克里克-富兰克林边缘发生相互作用，这使得DNA碱基配对遵循两条互补规则：一是尺寸互补，即大体积的嘌呤与小体积的嘧啶配对；二是氢键互补，即一个碱基上的氢键供体与另一个碱基上的氢键受体发生相互作用。
这些配对规则的规律性促使西曼提出，DNA链可作为一种可设计的材料，利用基于规则的碱基配对组装出具有特定折叠“表型”的纳米材料。尽管西曼最初认为这类纳米结构可用于蛋白质的有序排布，为蛋白质晶体学研究提供支撑，但这一核心理念已被众多科学家应用于各类纳米结构的构建。
目前，DNA纳米结构的构筑方法主要分为两类：一类是DNA折纸技术，即利用数百条短DNA链作为“订书钉链”，将一条长天然DNA链折叠为特定结构；另一类是基于DNA瓦片的模块化组装技术。数十年间，研究者利用这些策略构建出了多样化的DNA结构，包括离散的二维和三维纳米结构、延伸型晶格以及宏观晶体，同时还开发出了多种动态DNA器件，如DNA镊子、DNA行走器和DNA电路。
尽管DNA的可编程性无可匹敌，但其并非构建纳米结构的理想分子。例如，天然DNA中沃森-克里克-富兰克林型的A:T碱基对在无盐环境下结合力会大幅减弱。
这一现象实则在意料之中：益生元化学通过一系列特定的优势反应形成了RNA，并进而决定了其演化产物DNA的某些结构特征，而这些反应本就无理由产生最适合支撑纳米材料构建的糖基或碱基。
益生元RNA后续演化为DNA的过程中，驱动其结构改变的选择压力是更好地支撑遗传功能，而非为了实现特定的结构表型。例如，DNA失去了核糖上的2'-羟基，这使其对碱催化的骨架断裂具备了远优于RNA的稳定性，却也牺牲了诸多参与折叠的相互作用。
这一自然演化历程引出了一个问题：能否通过人工精准设计DNA碱基对，使其具备更高的稳定性和可编程性，从而更好地支撑DNA基纳米科学的发展？
本研究对此给出的答案，延续了人工分子生物学的核心思路——天然碱基对并未充分利用其标准配对几何构型下所有可能的碱基间氢键连接模式。通过重新排布碱基上的氢键供体和受体基团，在沃森-克里克-富兰克林几何构型下，可形成多达6种碱基对，涉及12种可独立复制的核苷酸构建单元。
基于这一人工可进化遗传信息系统构建的核酸，能形成延伸的沃森-克里克-富兰克林型双螺旋结构，这与库尔、罗梅斯伯格和平尾等人开发的疏水性人工碱基对不同；该系统已成功应用于价值数十亿美元的诊断产品中，可被DNA聚合酶复制，还能通过实验室体外进化技术构建新型受体、催化剂和药物递送系统。
这些研究成果让多种人工核苷得以普及且成本低廉，也为DNA基纳米科学的下一代研究问题提供了解决可能：若保留氢键互补规则和聚电解质骨架，能否突破沃森-克里克-富兰克林配对中尺寸互补的限制（即大嘌呤与小嘧啶配对）？
为解答这一问题，美国Emory大学Yonggang Ke教授团队探索了利用人工可进化遗传信息系统实现的粗型双链和细型双链作为纳米结构构建单元的可行性。粗型双链由氢键互补的大体积嘌呤类似物相互配对形成，如B:P对和D:X对；细型双链由氢键互补的小体积嘧啶类似物相互配对形成，如S:Z对和T:K对。
尽管人工可进化遗传信息系统能形成多种沃森-克里克-富兰克林型碱基配对组合（包括粗型和细型配对），但本研究重点探索了两种粗型碱基对和两种细型碱基对在纳米结构组装中的应用。以逆转录酶二聚体为“宿主”、短链粗型和细型双链为“客体”的初步晶体学研究表明，这类碱基对同样能形成双螺旋结构，只是具有不同的结构参数，如螺距、上升高度和扭转角。
本研究对以粗型和细型螺旋这两种杂交基序为核心的人工可进化遗传信息系统核酸纳米结构进行了制备与表征。该系统引入了一系列人工合成核苷碱基，其静态、动态结构潜力远优于天然DNA中的碱基，因此基于该系统构建的DNA纳米结构在生物、治疗和材料等诸多领域均具有重要的应用价值。
Yonggang Ke，美国Emory大学和Georgia Institute of Technology生物医学工程院副教授。DNA纳米领域杰出贡献者。已在Science, Nature, Nature Nanotechnology等顶级期刊发表多篇文章
