2019年7月25日，清华大学生命科学学院魏迪明分子设计课题组和美国普渡大学毛诚德课题组合作在《应用化学》（Angewandte Chemie）杂志上在线发表题为“基于分支结构单元的线框式DNA纳米结构的自组装”（Self-assembly of wireframe DNA nanostructures from junction motifs）的研究论文。
在纳米尺度实现分子和纳米材料单元的可控自组装，从而获得特定的组装结构与功能，是纳米科学与技术的重要研究目标之一。DNA作为生物体内重要的遗传物质，在纳米尺度上构建功能结构研究方面具有得天独厚的优势：具有稳定的结构、可编码性、可操作性、好的生物相容性等等。经过三十年的发展，尤其是近十年DNA折纸（scaffolded DNA origami）技术的提出，结构DNA纳米技术蓬勃发展，展现出来强大的自组装能力。DNA折纸术就像折一张纸一样，使用上百条DNA短链（称为订书钉链）将一根长的DNA单链（称为骨架链）折叠成各种各样不同的形状。但是由于受到骨架链长度的限制，所构建的纳米结构尺寸也比较有限。另一方面，不依赖于骨架链的自组装方法，如单链DNA结构模块（single-stranded tiles/bricks）方法的快速发展克服了这一问题，这一种思路已经成功构建出更大尺度甚至无限大的阵列结构。线框式结构作为纳米材料中一大类非常重要的材料样式，已经被证明可以利用“DNA折纸”的思路成功构建。但目前，利用不依赖于骨架链的方法构建线框式结构是一片亟待开发的新天地，仍存在非常大的研究开发空间。因此，简单高效地利用不依赖于骨架链的方法构建复杂的、大尺度的、具有可寻址性的二维和三维纳米结构是一个重要的研究方向。在该研究中，魏迪明课题组和毛诚德课题组因此共同开发出一种通用的不依赖于骨架链的构建方法，成功设计出带有多个结构臂的分支结构单元并构建了一系列线框式结构，如二维阵列结构（2D arrays）、管状结构和多面体结构。
左图：用于构建DNA线框式纳米结构的各种各样的分支结构单元；右图：
由于同时具有一定的刚性和柔韧性，该结构单元非常类似于一副双节棍。
研究人员通过精巧地设计，使得分支结构单元的每一个结构臂均由两条并置的双螺旋DNA组成，从而使得结构的刚性大大增加，刚性的结构臂由相对柔性的关节相连成线框式网络，因此适合于构造具有空间复杂性的DNA纳米材料。其次，由于构建结构的每条短链DNA具有不同序列，使得此类结构具有可寻址性，能够对特定位点的序列进行设计和修饰，从而更好地服务于下游应用。该工作还进一步表明，通过插入单链或者双链DNA的关节可以得到具有角度各异但大小形状可控的孔隙的线框式结构。正如文中的类比指出，乐高积木开发出了各种不同样式的积木，使得模型搭建更加具有指向性。同样的逻辑也适用于DNA模块，相关研究人员相信更多的模块种类也将使DNA纳米材料更多样、更准确和更具可控性以及功能性。
清华大学生命科学学院2015级博士研究生黄锴为本文的第一作者。清华大学生命科学学院魏迪明研究员和普渡大学毛诚德教授为该文的共同通讯作者。清华大学医学院向烨副教授和香港科技大学弭永利教授也在研究中做出重要贡献。该研究获得国家自然科学基金委、清华-北大生命科学联合中心、清华大学结构生物学高精尖中心等基金资助。
原文链接： https://doi.org/10.1002/anie.201906408
相关论文链接：
https://academic.oup.com/nar/article/44/16/7989/2460518
https://academic.oup.com/nar/article/45/6/3606/3044352
https://www.nature.com/articles/s41467-019-08647-7
https://doi.org/10.1039/C9NR03861B
