生物学测序图谱分析（樊春海院士团队Nat.Chem.）

▲第一作者：Guangbao Yao

通讯作者：Chunhai Fan， Hao Yan

DOI: 10.1038/s41557-020-0539-8

DNA折纸已经成为一种高度可编程的方法，可以在10-100nm尺度上构建定制的对象和功能器件。扩大DNA折纸的尺寸将使许多潜在的应用成为可能，其中包括超材料构建和基于表面的生物物理分析。

本文作者证明了亚微米尺度的六螺旋束DNA折纸纳米结构（meta-DNA）可以用作单链DNA的放大模拟物，并且两个包含互补的元碱基对的meta-DNA可以形成具有程序化利手和螺旋螺距的双螺旋。

通过模拟DNA链的分子行为和它们的组装策略，作者使用meta-DNA构建块在微米尺度上形成多样化和复杂的结构。利用meta-DNA构建块，构建了一系列亚微米到微米尺度的DNA结构，包括元多臂连接、三维多面体和各种2D/3D晶格。

作者还展示了在meta-DNA上的一个层级链置换反应，将DNA的动态特征转移到meta-DNA中。这种元DNA自组装概念可能改变结构DNA的微观世界纳米技术。

▲图1 dsM-DNA的设计与表征

a、一个包含三股DNA短链的DNA结构（包括一个长链的DNA结构和一个短链的DNA结构）。

b、dsM DNA的模型，可以创建为右手或左手结构。左图：一个六螺旋束DNA折纸（蓝色）模仿M-DNA的主干。右图：基于M-DNA的亚微米级结构示例，包括自折叠、自连接和自组装的2D和3D结构。

c、平行（0圈）dsM DNA（左）和1.5圈dsM DNA的示意图和典型AFM图像。

d、柱状图显示了每个设计的左手（d）和右手（e）dsM DNA的圈数分布。

f、在粗粒度模拟中单个M-DNA典型构型的快照，具有固有的右手扭转。A和B在起始和结束位置显示放大的ssM DNA。在模型中，红链清晰地显示出从开始到结束的63.75°扭曲。

g、在粗粒度模拟中左手和右手dsM DNA的典型配置的快照。模型中的角度模拟了dsM-DNA的螺旋扭曲角。

▲图2 M型接头和M-DX结构

a-d、模型、AFM图像和Y形交界（a）、T形交界（b）、X形交界（c）和K形交界（d）的角度直方图。柔性区位于所选M-DNA的中间，在图中显示为红色弧。

e、两个刚性M-dna和三个柔性M-dna形成一个亚微米结构，模仿双交叉结构。

f、在距离M-DNA末端三分之一位置处的主链被移除，导致形成一个带有粘性末端的Y形M形连接。

g、粘端杂交后得到树枝状大分子结构。

▲图3 自折叠，自连接M-DNA结构和自组装三维多面体

a、用不同的层叠设计制作了具有2、3、4和6个刚性片段的M-DNA自折叠模型和AFM图像。

b、用于创建各种多边形的端到端自连接M-DNA的模型和AFM图像。从左到右，不同形状的M-DNA被用来创建圆形、不同角度的三角形、矩形、五边形和六边形。

c、琼脂糖凝胶图像显示，M-DNA四面体的产量很高。四个三角形M-DNA可以在它们的边缘相互杂交形成四面体。从左到右：M13DNA，一个三角形的M-DNA，两个三角形的六个组合，三个三角形的四个组合，最后得到的产物，一个四面体。

d、由自连接三角形M-DNA和矩形M-DNA构建的各种三维多面体的模型和TEM图像。从左至右：四面体（四个三角形）、三角双锥（六个三角形）、八面体（八个三角形）、五角双锥（十个三角形）、三棱柱（三个正方形）、矩形棱柱（四个正方形）、五角棱柱（五个正方形）和六角棱柱（六个正方形）。底部的面板显示了他们的相应结构，涂有二氧化硅，以加强和保存三维结构。

▲图4 基于M-SST组装策略的一维、二维和三维M-DNA微米级结构的自组装

a、一维Y半线性结构的示意图和AFM图像，M基仅位于螺旋1上。左下面板是放大的视图，右侧面板是放大的AFM图像。

b-d、基于位于每个M-DNA螺旋1和螺旋4上的M-碱基杂交的一维XY半（b）、1D XY四分之一（c）和2D-XY（d）结构的示意图（左）和AFM图像（右）。

e-f、2D-X和3D-XZ结构的示意图（顶部）和AFM图像（底部）

▲图5 基于M-DNA的链置换

a、M-SDR不同阶段M-DNA形态的示意图（右）和AFM图像（左）。在初始状态下，dsM-DNA的试剂由一个长（T2，蓝色）M-DNA和一个短（T1，绿色）M-DNA组成。在加入M-DNA（T1-R，红色）后， M-DNA附着在dsM-DNA的趾头区域，并沿着dsM-DNA向指定方向迁移（红色箭头）。最后，M-DNA（T1-R）取代短M-DNA链（T1）与T2结合，T1从dsM DNA中释放出来。I是反应的初始阶段，II IV是中间阶段，V是反应的最后阶段。（1）-（4）是不同M-DNA或dsM DNA中M-base或M-base对的设计细节。每个M碱基上的反应是一个完整的DNA链置换。

b、 归一化荧光曲线和拟合曲线，这些曲线代表了M-SDR在不同浓度的入侵者M-DNA链上的动力学。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-020-0539-8

樊春海，男，1974年3月出生，汉族，江苏省张家港市人。上海交通大学化学化工学院王宽诚讲席教授，中国科学院院士。1996年本科毕业于南京大学，2000年博士毕业于南京大学，2001-2003年在圣芭芭拉加州大学从事博士后研究。2004年入选中国科学院百人计划，2007年获得国家杰出青年基金资助，2012-2016年任科技部纳米973首席科学家。入选美国科学促进会(AAAS)、国际电化学学会(ISE)和英国皇家化学会(RSC)会士，兼任ACS Applied Materials & Interfaces副主编，ChemPlusChem编委会共同主席。已在Nature，Nature和Science子刊等杂志发表论文400余篇，自2014年起连续入选“全球高被引科学家”。部分成果获2016年国家自然科学二等奖(第一完成人)，并获2019年度何梁何利基金科学与技术创新奖、美国化学会“测量科学进展讲座奖”和第十二届“谈家桢生命科学创新奖”。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-020-0539-8