NATURE COMMUNICATIONS：可编程自由能谱用于DNA链取代的动力学分析调控

引言

DNA具有可预测及可控的特性，因此是纳米级别自组装的常用材料。动态DNA体系中最基本的反应是toehold介导的链取代过程。Toehold介导的链取代过程是由入侵链与toehold之间的结合引起的，此时目标物与入侵链和目标物与封闭链之间存在一个随机游走的分支点。入侵链可能向前逐步取代封闭链，完成链取代反应。它也可能回到链取代初始状态，此时入侵链可能依然保持与toehold的结合状态，重新引发新一轮取代反应。因此，链取代过程总体的反应速度在很大程度上取决于toehold的稳定性。通过改变toehold的序列与长度，可以改变toehold结合的自由能，最终对反应速率进行调节。

成果简介

牛津大学物理系的Andrew Turberfield教授和Thomas E. Ouldridge研究员在NATURE COMMUNICATIONS期刊上发表了题为“Programmable energy landscapes for kinetic control of DNA strand displacement”的研究论文。本文在链取代过程中引入碱基错配，通过改变这一缺陷的位置，可以在不显著改变自由能的条件下将链取代的速率常数调整到三个数量级以上。通过建立反应自由能谱的模型，作者探索了这种调控机制的机理。本文还证明了oxDNA（粗粒度的DNA模型）能够准确地预测和解释不匹配对链取代过程动力学的影响。

图文解读

图一：在取代链与底物链之间设置碱基错配，研究toehold链长度和碱基错配位置对链取代速率常数产生的影响；以6-toehold为例，近端错配会对反应速率产生明显抑制，而远端错配几乎不产生影响。因此，近端错配对链取代过程产生的影响更大，反而远端错配对链取代过程的影响比较小。

图二：链取代过程中的自由能谱图，蓝色箭头表示取代链替换封闭链的过程；引入近端错配会显著改变自由图谱，链取代过程中阻力变大，取代链发生脱离的可能性增大，整体反应速率降低；而中间部位碱基错配，到达错配部位时已经有一部分封闭链被取代，并且剩余待取代部位更短，因此反应速率相比之前更快；最后对于远端错配，在链取代接近错配部位时，封闭链趋向于自己掉下来，完成链取代过程，随后封闭链才会与底物链进行完全互补杂交。由于取代链与底物链错配区域的结合不是必须的，因此错配的影响显著降低。

图三：本实验构建了一个更加复杂的体系：两条取代链同时与一条底物链竞争，此时引入不对称位置的碱基错配，错配相对于3端取代链属于远端，因此反应速率较快，先产生信号（动力学角度），但是，最终由于5端取代链总体互补碱基更多，因此反应逐渐趋向于形成5端取代链与底物链的复合物（热力学角度），最终导致3信号逐渐减弱，5信号逐渐增强。

总结与展望

本文证明通过改变侵入链与目标物双链体系中单个碱基错配的位置，可以对DNA链取代的速率进行调节。与以往大多数动力学调控方法相比，该方法可以对反应速率进行三个数量级的调整，而不显著改变反应的自由能。通过计算具有单核苷酸分辨率的链取代的自由能谱图，我们能够对观察到的行为提供定性的解释，并对相对反应速率进行近似定量的预测。oxDNA是一种没有自由参数的粗粒度模型，能够深入了解这种反应机制，它是DNA纳米技术朝着合理设计和优化方向迈出的令人鼓舞的一步。

文献链接：

Programmable energy landscapes for kinetic control of DNA strand displacement；

https://www.nature.com/articles/ncomms6324；

DOI: 10.1038/ncomms6324

团队介绍

Andrew Turberfield：牛津大学物理系克拉伦登实验室物理学教授。

主要研究方向：自组装结构（DNA晶体；3D DNA纳米结构；DNA马达；DNA驱动蛋白纳米巴士）。

课题组主页：https://www2.physics.ox.ac.uk/research/self-assembled-structures-and-devices

Thomas E. Ouldridge：牛津大学物理系韦尔数学和物理科学初级研究员。

主要研究方向：结合分子模拟、数学建模和实验合作，探索工程生化系统和过程的可能性和基本限制。

课题组主页：https://www.imperial.ac.uk/people/t.ouldridge

编辑：我想不出好名字

审稿：风吹花落

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