上海应物所等在DNA折纸单分子反应中发现分子穿越现象

　　近日，中国科学院上海应用物理研究所物理生物学研究室与上海交通大学生物医学工程院合作，在DNA折纸单分子反应的研究中获得了重要进展，研究论文Molecular Threading and Tunable Molecular Recognition on DNA Origami Nanostructures在线发表在国际学术期刊《美国化学学会》(JACS)杂志上。

　　DNA折纸技术结合了生物DNA分子本身严格的互补配对原则和计算机编程技术，成为制造人为可控纳米结构的有效途径。目前，基于DNA折纸技术研究单分子反应和进行相关生物检测已经成为一个学术界关注的前沿领域。然而，DNA折纸在界面上的吸附取向原因不明、无法控制，因此当功能化修饰的一面朝向吸附界面时，其功能性分子朝向吸附的界面表面，修饰面难以顺利完成既定的功能，这将限制DNA纳米机器和器件的实际应用。

　　上海应用物理研究所物理生物学研究室的博士生吴娜在研究DNA折纸上生物素与亲和素的单分子识别反应动力学过程中发现，单链DNA分子可以“穿越”DNA折纸，与折纸另一端的分子发生反应。研究人员们猜测：两维DNA折纸呈现纳米网格结构，网格的孔洞呈现规则而有序的排列，通过分子模拟与原子力显微镜检测结果显示，这些“纳米孔”的孔径约在1-3纳米间，由此，尺度合适的单链DNA分子，可以穿过“纳米孔”。通过巧妙的图案化设计和单分子识别反应的实时原位检测，发现了一定长度的单链DNA的确可通过“纳米孔”穿梭到折纸的另外一面，且在一定范围内，其长度对分子识别反应具有显著的调控作用，长度越长反应越快。“分子穿越”现象的发现具有重要意义，如果功能性分子能够通过此“纳米孔”，从折纸的一面穿梭到另外一面，就可改善由于DNA折纸吸附取向所造成的问题由此，揭示了一个以前被忽略的关键设计特点，这将为DNA折纸纳米结构构建提供新视角，并为有关实验现象提供新的诠释依据。

　　该研究工作获得了国家科技部、国家基金委和中国科学院的共同资助和支持。

图1. 一端固定于DNA折纸的单链DNA分子“分子穿越”到另一面的示意图

图2. 分子模拟结果。DNA折纸网格的空洞呈现类似椭圆状，其内径大约在1-3纳米间。