在过去四十年DNA纳米技术的快速发展中，人们通过简单而强大的碱基互补配对实现了前所未有的复杂自组装，并构建了丰富多彩的DNA纳米结构。然而，更复杂的结构通常需要更长的组装时间，或组装产率低下。人们已经对多个关键参数进行了优化，如阳离子种类和浓度、温度、变性和拥挤剂等。然而，对复杂自组装系统的理解仍然有限。很多优化工作可能仅适用于特殊的自组装案例。当前DNA纳米技术中最常见的组装程序与几十年前没有显著区别。
季铵化合物（如甜菜碱）因其与DNA双链的特殊相互作用而进入本课题研究人员的视野。这类化合物可以与DNA小沟结合，从而影响双链的形成。PCR中它们被用来打开模版链的不良二级结构使反应进行更顺利。随机聚集是生物大分子折叠或自组装中的常见问题。甘氨酸、精氨酸和硫酸铵等化合物通过抑制错误折叠和聚集促进多肽的正确折叠。因此本文作者猜测季铵化合物可能以类似的方式改善DNA纳米结构的自组装。
图1 甜菜碱辅助的DNA自组装。
本文作者测试了以甜菜碱为代表的一系列季铵化合物。和假设一致，通过简单的在反应体系中添加这些物质，就可以使由数千条DNA组成的多种复杂纳米结构的产率得到稳定提高，同时组装中的随机聚集被抑制。如图2所示，多种高复杂度的DNA纳米结构被用此方法成功组装。作者也期待在未来有更多促进核酸自组装的秘方——化合物或生物大分子（如DNA修复相关蛋白）被发现，组合起来使得结构和功能更加复杂多样的DNA纳米结构被更高效的构建。
该研究成果由清华大学生命学院魏迪明分子设计实验室（MADlab）和深圳华大生命科学研究院王雯团队合作完成，论文题为“甜菜碱及其类似物的DNA自组装优化”（DNA Self-Assembly Optimization by Betaine and Its Analogs），于2024年5月9日在线发表于Small期刊。清华大学生命科学学院2021级博士生孙正阳为本文第一作者，清华大学生命科学学院魏迪明副教授和深圳华大生命科学研究院王雯副研究员为本文共同通讯作者。本研究获得科技部、国家自然科学基金委、清华-北大生命科学联合中心等基金资助。
图2 季铵化合物辅助的多种复杂DNA纳米结构的组装。比例尺：100纳米。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202400930
