近日，上海交通大学姚广保、李明强在Journal of the American Chemical Society上发表题为“Catalytic Reconfiguration of Meta-DNA Assemblies”的研究论文。该研究提出一种基于DNA催化反应的元DNA重构策略，通过引入短链DNA催化剂，将重构时间从12小时缩短至2小时以内，反应速率常数最高达1.88×105 M^-1 s^-1。研究团队还通过分子动力学模拟揭示了催化重构的多价协同路径，并成功实现了一维至三维M-DNA组装体的快速可编程重构，为开发自适应仿生纳米器件提供了新平台。

研究背景

DNA纳米技术为构筑可编程、可重构的纳米机器人提供了强大工具。然而，如何在保证结构稳定性的同时实现快速动态响应，一直是该领域的核心挑战。传统设计依赖于弱相互作用（如碱基堆积）实现可逆重构，但往往牺牲了机械稳定性和可扩展性。近年来，课题组发展的元DNA（meta-DNA，M-DNA）在保持优异机械稳定性的同时实现了单M-base寻址能力。但M-DNA的高稳定性也带来了重构动力学障碍：多价M-base之间的协同相互作用阻碍了分支迁移，导致高级组装体的重构效率低下。受田中群老师催组装理念的启发，研究团队提出一种催化重构策略，利用短链DNA催化剂加速M-DNA内部的链置换反应，在保持结构稳健的前提下大幅提升重构速率。

研究内容

图1：M-DNA重构策略概述

研究团队首先设计了基于六螺旋束的M-DNA单体，其表面按需排布可编程的M-base（包含toehold区域），通过M-base的互补配对可自组装形成一维链、二维网格和三维束状结构（图1a-b）。为实现亚微米尺度的结构重构，作者开发了一种采用多价TMSDR的重构策略。在M-base末端引入可编程toehold结构域，为结构重构提供了动态可及性。该设计实现了自重构与催化重构双路径，可精确调控M-DNA间相互作用（图1c）。通过该策略，实现了一维、二维及M-DNA三维组装体的快速可编程的结构转变（图1d）。

图2：M-DNA自主重构

为验证自重构可行性，作者用原子力显微镜（AFM）观察了重构前后形貌变化：初始[S1:S2]为参差形态，加入入侵链（Inv）12 h后，90%转化为平齐的双链结构（图2c,d）。通过荧光标记实时监测重构动力学，测得速率常数为1.83×104 M-1 s-1（图2e）。系统考察toehold长度、M-base数量及间距的影响发现：toehold越长、M-base越多、间距越小，重构速率越快，表明多价协同效应在链置换中起关键作用（图2f-h）。

图3：M-DNA催化重构

作者引入DNA催化剂（与特定M-base与toehold互补），设计了催化重构路径（图3a-c）。荧光动力学显示，催化剂浓度越高，重构速率越快；使用三种不同催化剂时，速率常数从1.83×10⁴提升至1.88×105 M^-1 s^-1，加速约10倍（图3d）。催化位点的增多可进一步提高效率，但三个位点后催化效率趋于饱和（图3e）。分步反应分析表明，首先催化剂促使双链底物解组装，形成的手柄（handle）为入侵链提供结合位点，随后入侵链与手柄结合加速取代催化剂完成重构（图3f-g）。

图4：分子动力学模拟揭示重构机理

利用oxDNA粗粒化模型模拟发现，双链M-DNA中M-base通过氢键配对稳定存在，toehold区域保持未配对状态（图4a-c）。在自重构过程中，入侵链与M-base末端距离逐渐减小，M-base依次发生链置换，且反应起始，相邻M-base因空间限制表现出协同效应（图4d-f）。自由能景观分析显示，催化剂结合引发局部解离，熵增有利于后续入侵链结合，最终形成更稳定的产物，从而绕过入侵链直接结合底物的位阻（图4g）。

图5：一维至三维M-DNA组装体的催化重构

研究团队将催化重构策略应用于更高阶结构：一维链、二维栅格和三维束状组装体（图5a、c、e）。AFM成像表明，在催化剂存在下，一维链在3 h内完全重构为二聚体（图5b），而自重构需12 h；二维栅格（图5d）和三维束状（图5f）均在6 h内完成重构，由错位排列转变为规整对齐。而在无催化剂的自重构体系中，几乎无法观察到这种复杂的重构。这些结果证实催化重构策略在不同维度复杂组装体中的普适性和高效性。

小结

该工作开发了一种元DNA催化重构策略，该策略通过协同DNA催化剂显著加速重构过程，解决了纳米机器人学中结构稳定性与动态适应性之间的固有矛盾。这项工作不仅为DNA纳米机器人的动态调控提供了新思路，也为将催化调控引入多尺度生物及合成系统、构建智能诊疗和响应性材料开辟了可能性。相关工作可以作为催组装（cata-assembly）的一个例证。

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c01421