生命复杂多彩的行为是通过生物体内分子的复杂动态化学反应网络来实现的。在体外模拟这些相互作用和重构对于构建仿生人工纳米器件和系统至关重要。由于DNA的可编程特性，基于DNA的化学反应网络已成为模拟生物系统化学反应网络的重要策略。目前科学家已经报道了多种基于DNA链置换反应的动态化学反应网络和级联反应，比如DNA电路、DNA神经网络计算。然而，在亚微米尺度实现DNA纳米结构之间的复杂动态重构仍处于早期研究阶段。 

       近日，上海交通大学的李明强、姚广保联合樊春海院士，基于之前提出的元DNA设计策略（Nature Chem, 2020,12,1067–1075），开发了仅依赖元脚趾链（M-toehold）的元DNA链置换反应，并以此为基础实现了亚微米尺度结构的包括逻辑运算在内的多种自主重构行为。该工作为利用元DNA链取代实现更智能的动态自主重构行为奠定了基础。相关研究成果以“Meta-DNA Strand Displacement for Sub-Micron-Scale Autonomous Reconfiguration”为题发表在J. Am. Chem. Soc.（美国化学会志），第一作者为上海交通大学变革性分子前沿科学中心博士生齐美园，通讯作者为上海交通大学变革性分子前沿科学中心姚广保副教授与化学化工学院李明强助理研究员。

图1. 仅依赖元脚趾链（M-toehold）的元DNA链置换反应

       元DNA是一种亚微米尺度的DNA类似物，其具有类似 DNA 的结构和杂交特性，但单体长度达到了400纳米，是DNA的百倍。如图1a所示，元DNA单链由一个六螺旋DNA骨架（称为“元骨架”）和多个寡核苷酸链（称为“元碱基”）组成，两条互补的单链元DNA相互杂交形成双链元DNA。元DNA可以模仿经典的DNA短链在纳米尺度上组装的方式进行自组装，从而可以作为一个通用的亚微米尺度构筑基元，实现各种亚微米到微米尺度甚至宏观尺度DNA结构的构筑。 

       元DNA链取代过程如图1b所示。在初始阶段，入侵链（Invader）与底物[S1:S2]上的未杂交区域（M-toehold）结合，形成三链中间体[S1:S2]:Inv。在随后的可逆分支迁移过程中，入侵链将底物[S1:S2]中具有相同元碱基的S1置换出来。最终，入侵链完全置换出[S1:S2]中的S1，形成了新的双链 [Inv:S2]。原子力显微镜可以清晰的捕捉到该反应过程。元脚趾链（M-Toehold）和元碱基的模块化性质使得每个因素可以独立调节，我们通过改变元脚趾链（M-Toehold）和可逆迁移区域上元碱基的长度和数量以及元DNA的刚柔特性，使得元DNA链取代反应动力学在五个数量级的范围内可调，最大速率约为1.62×10⁵ M^-1 s^-1。

图2. 元脚趾链（M-Toehold）介导的元DNA链取代的动力学调控

       通过进一步研究，作者探索了元DNA链取代反应在模仿复杂自主重构行为方面的潜力。设计了具有不同输入输出模式的逻辑表达式，包括非（NOT）、或（OR）和与（AND），以及一个组合的逻辑系统，并通过荧光监测结果证明了逻辑系统的成功构建（图3）。仅依赖元脚趾链（M-Toehold）的元DNA链取代可作为一种新的动态调控机制，用于模拟更复杂的接近细胞复杂度的自主智能行为。 

       元DNA策略将DNA纳米技术的精确构建能力从纳米尺度扩展到微米尺度，通过合理的设计策略，完全有可能将尺度扩展到毫米厘米等肉眼可见的宏观尺度。通过结合元DNA链置换反应，可以设计合成具有纳米尺度分辨率的宏观复杂电路模板和仿生动态系统，并应用于原子制造和DNA信息存储等领域。

相关文献： 

[1] Meiyuan Qi, Wenhe Ma, Qin Xu, Fei Wang, Ping Song, Sisi Jia, Xiaolei Zuo, Mingqiang Li*, Guangbao Yao*, and Chunhai Fan. Meta-DNA Strand Displacement for Sub-Micron-Scale Autonomous Reconfiguration. J. Am. Chem. Soc. 2023, (On line). DOI: 10.1021/jacs.3c04884 

[2] Guangbao Yao, Fei Zhang, Fei Wang, Tianhuan Peng, Hao Liu, Erik Poppleton, Petr Šulc, Shuoxing Jiang, Lan Liu, Chen Gong, Xinxin Jing, Xiaoguo Liu, Lihua Wang, Yan Liu, Chunhai Fan*, and Hao Yan*. Meta-DNA structures. Nat. Chem. 2020,12,1067-1075. DOI: 10.1038/s41557-020-0539-8 

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c04884