上海交大宋杰課題組與美國研究人員合作在Science上發表DNA分子機器相關成果

【研究背景】

分子機器（molecular machine）是指由分子元件組裝起來進而能夠在分子水平上實現納米尺度運動或能量轉換的反應系統，并因2016年諾貝爾化學獎的頒布讓其廣受關注。對于分子機器研究主要是源于對細胞內部蛋白分子高效、精密協作的動態觀測，如分子馬達。當前對分子機器的研究主要是集中在超分子體系的分子機器上，即對分子機器進行有序排列， 研究與模擬生物領域的超分子過程（如光合作用、酶的催化作用等），進而制造納米器件實現信息傳遞和存儲等多方面應用。當前針對超分子體系分子機器的研究主要集中在對初態和終態觀測，而對其中間態變化過程的研究不多，尤其是設計和構建可控中間態信息傳遞的研究甚少。DNA分子由于其獨特的雙螺旋結構，不僅承載了幾乎所有生物的遺傳信息，也因其精確的互補配對能力、序列的可編程性、結構的多樣性和獨特的機械學性質成為構建分子機器的優越材料。通過適當的序列設計和條件控制（如鏈交換、環境刺激等），可以人為的操控DNA的結構變化及構想間的可控轉化，進而利用DNA的可定位特性，修飾結合其他功能材料，實現納米尺度的可控運動或特殊功能的精確變化。DNA分子機器的實現為分子機器的發展，尤其是納米尺度下的能量轉換、信息傳遞以及生物分子相互作用與調控機制等有著重要的意義。

【研究內容】

日前，上海交通大學青年千人宋杰研究員與美國科學家合作在《science》期刊在線發表了題為“Reconfiguration of DNA Molecular Arrays Driven by Information Relay”的論文。研究人員基于可自由變化的四臂DNA單元（anti-junction），通過有序排列將DNA單元組裝成2D或者3D的陣列，得到一種全新的可變DNA分子機器 。由于每個構成單元都是可以自由變化的，進而通過觸發某個特定位置的構象變化，能夠產生級聯反應，類似于“多米諾（Domino）骨牌”效應，實現長距離的信息傳輸和遞送。同時，該可變DNA結構也能夠可編程化地研究各中間態的轉換過程。這種新型可變DNA納米結構能夠為化學反應的中間態研究以及生命活動中分子信號調控提供有力的研究工具。

【圖文介紹】

圖1：DNA結構設計及其分子信息傳遞方式

圖2：各種“磚塊”式DNA 結構的設計與合成

圖3：DNA結構上的分子信息實時傳遞

圖4：DNA結構上的可控信息遞送

【小結】

本文通過構建新型可變DNA納米結構，在納米尺度下實現類似于“多米諾骨牌”可編程控制的長距離信息傳遞和調控，這種人為可控DNA分子機器為實現納米尺度的可控運動或特殊功能的精確變化提供了新的平臺。

論文信息： Reconfiguration of DNA molecular arrays driven by information relay，Jie Song*,?,? Zhe Li,*,?Pengfei Wang,*,?Travis Meyer,? Chengde Mao?,?Yonggang Ke?, Science??22 Jun 2017: DOI: 10.1126/science.aan3377

課題組介紹：
宋杰, 第十二批中組部青年千人，上海交通大學電子信息與電氣工程學院儀器科學與工程系特別研究員， 在納米生物醫學工程研究所工作。于2009年蘭州大學物理專業本科畢業，2014年獲得丹麥奧胡斯大學生物物理方向博士學位。之后在丹麥奧胡斯大學和美國埃默里大學從事為期 博士后研究。 至今，已發表文章30余篇，其中包括 Science，Nature, Nature Nano, Nature Chemistry, Nature Communication, PNAS, JACS等國際頂級期刊，現主持科技部重點專項課題，中組部青千計劃，國家自然基金等項目。 課題組現在主要的研究方向是高分辨AFM動態成像，單細胞操縱， DNA納米技術在生物醫學方向的應用，以及智能診療儀器的開發。詳情見主頁。 歡迎有研究興趣的學生、博士后或者研究者加入實驗室參與課題研究；本課題組招收具有物理、化學、生物、材料以及醫學相關的研究生和博士生，有意可郵件至sjie(at)sjtu.edu.cn 。

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