DNA连接酶凭借其稳定且出众的连接能力，不仅肩负细胞内DNA的损伤修复，更在DNA分子重组中有许多妙用。DNA连接酶修复磷酸骨架的缺口来实现分子间的共价连接从而增强分子结构的稳定性。但你是否有想象过，利用DNA连接酶的特性来实现DNA纳米结构的多样动态变换？在缺口处断裂的磷酸二酯键，是否能分开本就锁住的双链？DNA连接酶好似巧夺天工的笔，勾勒磷酸二酯键的有与无，连接或者不连接，将会给我们描绘出不一样的图案和动态世界。
在DNA纳米技术领域，得益于其可编码性和可寻址性，多样而复杂的DNA结构展示出纳米尺度上的多种可能性。特别是在以DNA自组装为基础的动态变构领域，存在许多种动态调节纳米结构的方法，如由链置换反应介导的或酶-DNA互作介导的动态变构效应，从而衍生出巧妙独特的可行使特定功能的动态核酸结构工具，如纳米机器人等。在本研究中，本文作者构建了一种基于DNA连接酶与DNA纳米结构相互作用的自定义可编码平台，利用DNA连接酶有效地增强纳米结构稳定性的基本特点，通过区分结构内可酶连（ligatable）与不可酶连（unligatable）部分在酶连处理后响应外界刺激时稳定性的差异，从而提出了DNA连接酶诱导DNA纳米结构实现动态重构的方法（图1）。
图1 基于酶连处理的DNA纳米结构的稳定性提升及重构
首先，作者从实验和理论模拟角度验证了DNA连接酶对DNA纳米结构稳定性的提升效果。作者量化了DNA连接酶的连接效率，比较了DNA连接酶处理前后DNA纳米结构在热稳定性和机械稳定性方面的提升和变化。如图2所示，对比没有进行酶连处理的纳米结构，酶连结构耐受温度显著性增高，并且模拟结果显示结构大多都能保证完整，展示了酶连处理以增强纳米结构温度稳定性的优越之处，也就是结构中的组分不需要都被连接酶作用而共价连接也能在整体上更加稳定，这与中国书法中的笔断意连颇有神似之处。作者通过其他类型的DNA纳米结构进一步验证了酶连处理增强纳米结构的温度稳定性在的普适性。
图2 酶连处理提升DNA纳米结构热稳定性
（A）电泳结果。（B）温度耐受曲线。（C）原子力显微镜结果。（D）和（E）模拟结果。
虚线：酶连处理前；实线：酶连处理后。
在提升结构稳定性的基础上，作者利用DNA连接酶实现DNA纳米结构内碱基配对状态在稳定（“ON”）和不稳定（“OFF”）之间转换，以完成结构的动态重构。如图3所示，一方面，通过设置缺口位点处是否磷酸化，可以使DNA纳米结构在DNA连接酶的处理下，显示出响应温度信号的形态变化；另一方面，通过调整粘性末端配对的长度，在DNA连接酶的作用下，可以将平片DNA纳米结构转换成管状立体结构。在原子力显微镜下，以上动态重构被成功展示。
图3 酶连处理实现DNA纳米结构的动态重构
本研究系统性量化了DNA连接酶对核酸结构稳定性的影响，并为核酸纳米结构动态调控领域的应用方向上提供了一种新思路。
该研究成果由清华大学生命科学学院魏迪明分子设计课题组（MADlab）完成，于2022年7月26日发表在《核酸研究》（Nucleic Acids Research）杂志上，论文题目为“由酶连处理诱导的DNA纳米结构的重构”（Reconfiguration of DNA nanostructures induced by enzymatic ligation treatment）。
清华大学生命科学学院博士后白坦蹊和2018级博士生张佳旖为本文的共同第一作者，共同通讯作者清华大学生命科学学院魏迪明副教授提出项目构思和实验体系，共同通讯作者清华大学化学系刘冬生教授参与了实验设计以及动力学研究指导。该研究得到科技部、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。
论文链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkac606
