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大家好，今天给大家介绍一篇国家科学研究中心Damien Baigl团队等在Nature nanote chnology期刊上发表的题为“Iso ther mal self- assembly of multi com ponent and evo lutive DNA nano stru ctures”的研究工作。该研究使用不含镁离子的 NaCl 缓冲液，将 DNA 链和蛋白质的复杂混合物在室温或生理温度下等温自组装成预定义的纳米结构。 01 研究背景 通常需要热退火来引导多个互补DNA链组装成所需的实体。我们表明，使用含有NaCl的无镁缓冲液，DNA链和蛋白质的复杂混合物可以在室温或生理温度下等温自组装成用户定义的纳米结构，例如DNA折纸，单链瓷砖组件和纳米网格。在原位，时间分辨观察表明，这种自组装是热力学控制的，通过多种折叠途径进行，并导致高度可重构的纳米结构。 它允许给定的系统在大量竞争性DNA链中自我选择其最稳定的形状。引人注目的是，在出现新的能量极小值时，DNA折纸通过大量交换它们的组成主链，从最初稳定的形状等温转变为完全不同的形状。这种方法扩展了等温自组装可实现的形状和功能，并为自适应纳米机器和进化纳米结构发现奠定了基础。 见图一 用户定义的DNA折纸在无镁NaCl缓冲液中的等温自组装。  图一 a，折纸混合物（M13支架加上40×过量的所需订书钉）可以在恒温下自组装成TANa缓冲液中的目标平衡形状（例如三角形）。 b，AFM观察TANa（[NaCl] = 25mM）中100°C下等温折纸的形成，用于一组编码尖三角形的订书钉，作为孵育时间的函数。 c，等温自组装24小时后部分折叠（黄色）和完全折叠（红色）折纸的分数（气泡大小），一组编码尖三角形的订书钉，用于各种孵育温度（T）和NaCl浓度。十字符号表示 0 的小数部分。为了便于阅读，对应于未折叠或错误折叠折纸的剩余部分未绘制在此图中，而是显示在补充图中。3. 用于这些分析的所有图像都可以在可引用的公共存储库（doi：10.5281/zenodo.7998757）中找到， d，在100°C下通过TANa（[NaCl] = 25mM）等温组装获得的折纸的代表性特写AFM图像，用于编码尖锐三角形（左），高矩形（中）和笑脸（右）。对于所有实验：[M13] = 1 nM;每种订书钉浓度为40nM;在AFM成像之前没有进行订书钉纯化。 见图二 等温自组装的扩展适用性：蛋白质功能化，瓷砖组装和25°C在TANa缓冲液中的纳米网格形成。  图二 a，顶部：折纸混合物与编码尖锐三角形的订书钉的自组装，包括特定位置 a-f 的生物素化订书钉，在 2 μM 链霉亲和素 （Strep） 存在下。中间：在TANa（[NaCl] = 24mM）中组装100小时后获得的折纸的代表性AFM图像，作为混合物中使用的生物素化订书钉的函数。大比例图像在补充图中给出。 16.底部：在折纸上检测到的链霉亲和素的分数（%），用1至6种链霉亲和素蛋白功能化。箱线图显示一个从第一到第三个四分位数（黑条）的方框（橙色），极值由较短的黑条表示，中位数显示为红色条。n个计数的链霉亲和素中的每一个都由一个十字架表示。用于这些分析的所有图像都可以在可引用的公共存储库[M13] = 1 nM;每个主食浓度为40nM。 b，顶部：将SST自组装成具有4 mM NaCl的R100矩形。中间：AFM图像作为自组装时间的函数。左下：自组装混合物的电泳凝胶随时间的变化，梯子显示在最左边和最右边。红色箭头表示完全形成的 R4 矩形的条带。右下，通过凝胶电泳自组装和纯化4小时后R63矩形的AFM图像。 c，九个寡核苷酸（每个1μM）的自组装，在组装24小时后形成具有代表性AFM图像的扩展DNA纳米网格，[NaCl] = 100 mM（左）或150 mM（右）。大比例图像在补充图中给出。 见图三 在室温或体温下，精心设计的3D结构的等温自组装导致低产量的形状良好的3D折纸。  图三 a-d，通过热退火 （a） 或等温组装 （b-d） 以及通过凝胶电泳去除多余订书钉后获得的结构的负染色 TEM 图像。a，T1三角形结构（插图中的方案）通过在优化的镁缓冲液（41 mM Tris–HCl，pH 5.8,0 mM EDTA，1 mM MgCl）中进行18小时的热退火获得2)。 b-d，在TANa缓冲液中通过等温自组装（无热预处理）获得的结构：用黄色箭头表示的T1三角形结构（插图中的方案），并在100°C下以[NaCl] = 25mM获得48小时（b）;在1°C（左）下用[NaCl] = 200 mM和在25°C（右）下[NaCl] = 100 mM获得的T37三角形结构72小时（c）;在100°C下[NaCl] = 25mM持续48小时（中）和[NaCl] = 200 mM在25°C下48小时（d）获得的Tb'Toblerone'样结构（左，方案）。比例尺，100 nm。 见图四 等温折叠的原位可视化揭示了热力学控制下过程的多种折叠途径。  图四 a，胆固醇修饰的Λ形折纸最初被吸附在支持的脂质双层上，并携带一个展开的M13片段折叠成第三个尖锐的三角形边。该图像是在补充有237mM EDTA的TANa缓冲液（[NaCl] = 25 mM）中在100°C下实时观察1分钟后获得的快照，其中t = 0对应于添加订书钉编程M13片段的折叠（补充视频1）。圆圈表示以下特征示例：（1）折纸从初始吸附状态完全折叠（白色），（2）在吸附前完全折纸散装折叠（蓝色），（3）折纸吸附后折叠（黄色）。 b-d，由白色圆圈 B （b）、C （c） 和 D （d） 表示的三个单独折纸折叠过程的详细演变，证明了从最初的 Λ 形状到完全折叠的尖三角形的三种特征折叠路径。图像提取自补充影片 2-4。 e，显示至少三个折叠路径的示意图。[M13] = 1 nM;每个主食浓度为40nM。 见图五 热平衡下的演化：恒定温度下大链位移的形态转变。  图五 实验原理示意图：高矩形折纸在存在其过量订书钉（40×）的情况下与一组大10倍的竞争性订书钉混合，编码TANa缓冲区中的尖三角形。折纸在恒温（30°C）下逐渐演变成尖锐的三角形。左下：具有代表性的AFM结构图像，当高矩形的初始订书钉包含0,20或48个缩短的订书钉时，结构随时间演变。右下：检测到的物体在孵育时间增加后，具有部分或完全折叠的矩形（黑色）或三角形（绿色）、两个（浅蓝色）或三个（深蓝色）形状良好的角，矩形中有 0（顶部）、20（中间）或 48（底部）缩短的订书钉。每个直方图的剩余部分（对应于畸形或定义不明确的对象）未绘制在此图中。三角形的条形以堆叠方式显示;黑线和蓝线分别表示矩形和三角形形状的累积分数。用于这些分析的所有图像都可以在可引用的公共存储库每个条件的分析对象的数量n在补充表3中给出。[M13] = 0.25 nM;每个订书钉浓度为10 nM（高矩形）或100 nM（尖三角形）。 02 研究结论 我们特别证明，暴露于全套竞争性主食的预成型DNA折纸可以通过大规模的链置换反应交换其所有组成DNA主食，从而自发进化并转变为完全不同的形状。通过热力学驱动和调节主要成分和温度，该过程允许复杂的DNA组装在每次出现新的自由能最小值时在形态上进化。 这构成了构建智能纳米机器的宝贵途径，这些机器能够以编码的预定义动力学进行形态进化或自我适应不断变化的环境。它为温度固定的环境或生命系统中的动态操作开辟了特别有趣的前景，以及通过定向进化启发的协议发现纳米结构，其中复杂形状（例如蛋白质粘合剂）的改进结构可能会出现并从大型DNA组件库中选择。 |
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