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    復旦大學顧宏周團隊同期兩篇論文,報道DNA納米結構與組裝新進展

    來源:智匯工業

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    所屬頻道:新聞中心

    關鍵詞:DNA 納米


      單鏈DNA折紙術(single-stranded DNA origami)是傳統DNA折紙術的一種進化和衍生,它摒除了對眾多短序列的需求,通過高度集成序列信息于一條長單鏈DNA中, 實現了單個DNA序列的自我折疊和組裝體構建(類似于蛋白質由一條長肽鏈折疊成三維結構)。


      單鏈 DNA組裝體(ssDNs)的可編程性和可尋址性均能與傳統的多鏈 DNA 組裝體相媲美,此外它們還具有產物單一、純凈度高的先天優勢及可在生物體內復制的潛力。然而,目前對于200個堿基以上的DNA序列,化學合成的成本高、產量低,當序列中包含較多的二級結構時會進一步阻礙合成的效率,這些因素限制了單鏈 DNA組裝體在生命和材料科學等領域的應用和發展。


      一種高效制備單鏈DNA納米結構的生物方法。通過將多個單鏈DNA組裝體序列以假基因片段形式與自切割型DNA核酶序列有機串聯成一個整體,并重組到噬菌體基因組中,實現了依托噬菌體存儲組裝體序列信息,可隨時擴增放大并根據需求制備相應單鏈DNA組裝體的策略。


      以一條由520 個堿基的序列折疊而成的三角形組裝體為例,展示了制備方法的整個流程。首先,通過電腦程序輔助設計出可自組裝成三角形的長單鏈DNA序列。


       隨后,把該組裝體序列作為一個假基因片段進行化學合成,并在片段的兩端各自插入一個Zn2+依賴的自切割型DNA核酶(有催化能力的核酸序列);接著,將該片段重組到質?;蚴删V?,通過體外或體內的滾環復制擴增方式放大制備單鏈DNA序列;最后,在添加Zn2+的條件下,DNA核酶自發切割并釋放出單鏈DNA組裝體序列。


      此外,在前人利用順式 (cis) DNA核酶制備單鏈DNA的基礎上,拓展了活性更強的反式 (trans) 核酶的使用。當多種不同形狀 (三角形,520 nt;四邊形,680 nt;菱形,2200 nt;方形結,1700 nt) 的單鏈DNA組裝體出現時有所需的狀況時 ,提出以串聯多個組裝體和反式核酶序列的方式,既能在重組和放大過程中節約時間和勞動力,又能在切割分離目的組裝體時獲得高效性和可控性。依托基于反式核酶的生物法,制備單鏈DNA組裝體時成本可低至1500 rmb/g,產量可達g-kg,長度可至10000個堿基以上。


      研究提出了一種利用反式切割型DNA核酶突破化學合成長單鏈DNA序列瓶頸的生物法策略,為單鏈DNA組裝體的高效制備奠定了基礎,也為基于DNA組裝體的下游應用,如輔助脂質體分離制備及研究細胞對脂質體的攝取等掃清了障礙。此外,長單鏈DNA序列的高效制備還可能為基于長程單鏈DNA片段的基因敲入、基于長程鎖式探針的長程測序等新技術的發展提供支撐。


      脂質體 是臨床應用最為廣泛的納米藥物載體之一,其粒徑大小和表面修飾等性質是影響遞藥效率的關鍵因素。此前,由于制備的脂質體的粒徑區分度和均一性都較差,對于粒徑影響細胞攝取脂質體的分析研究多停留在較為模糊的定性層面,從而導致了藥物制備工藝中對脂質體粒徑大小的規定缺乏精細的定量標準。


      在解決了單鏈DNA組裝體在輔助分離脂質體時作為一種消耗型材料的來源和成本問題后,大量 (mg-g級) 地制備了在40-100 nm范圍內的粒徑精確均一的包裹了DNA組裝體的脂質體;隨后,選取40, 72和96 nm的三種粒徑大小的脂質體和多種細胞孵育,研究粒徑對細胞攝取脂質體的影響,研究結果表明,與正常的HEK293T細胞相比,腫瘤細胞 (HeLa細胞和MDA-MB-231細胞) 更容易吞噬這些包裹了DNA組裝體的脂質體,且攝取量最多的粒徑為96 nm;此外,當脂質體表面的DNA組裝體被去除后,所有細胞攝取脂質體的效率都顯著降低。這些現象表明脂質體的粒徑大小和表面修飾的DNA組裝體共同影響著細胞對脂質體的攝取。


      下一步,計劃將DNA組裝體輔助制備的脂質體的粒徑范圍擴大至150 nm,系統地測量和分析各種腫瘤細胞對脂質體攝取的最佳粒徑區間、各種正常細胞對脂質體低效攝取粒徑區間,以及脂質體靶向各類組織和器官的最佳粒徑區間等,以期為設計更安全高效的脂質體藥物載體平臺提供有力的數據。

      (審核編輯: monkey)

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