自主生长的合成DNA链

合成生物学家和纳米生物学家正在重新设计DNA，这是几乎所有人体细胞中存在的遗传物质，作为一种智能和稳定的自组装材料，用于构建纳米工厂，药物输送纳米结构和分子设备，可以感知他们的环境并在不同的环境中做出反应例如，通过检测体内炎症或环境中的毒素。

这些纳米级应用通常涉及包含数千个由DNA构成的构建块的大序列的合成，称为A，T，C和G核苷酸碱基，由于特定的碱基配对能力，可以进一步折叠和构建。 As和Ts之间，以及Cs和Gs之间。

然而，到目前为止，研究人员还没有可以使用的工具可以让更大的单链序列自主生长，然后按照分子设计计划进行端到端的相互连接，这种能力可以产生多样化的结构和设备。能力。

今天发表于“自然化学”杂志上，彭寅在哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究为这一问题提供了广泛适用的解决方案。Yin和他的团队开发了一种方法，允许预先设计的DNA序列沿着特定的装配路径自主生长和连接，从而为新一代可编程分子装置提供基础。他们将所谓的“引物交换反应”(PER)级联的新概念用于测试，他们成功地设计了第一套具有多种功能的设备，例如自我构建的DNA折纸和DNA纳米结构，可以感知，放大，记录或逻辑评估环境信号。

过去的方法产生固定的较小序列的相同拷贝，但是它们不能以限定的模式将不同的合成序列附加到彼此以在没有用户介导的干预的情况下自主地产生更大的组装。“PER级联提供的自主和可编程功能可以产生全新一代的可编程分子设备和应用，并且在设计工作中也存在差距，因此许多移动部件已经存在，”Wyss Institute核心学院成员Peng Yin博士说。谁是该研究的负责人，同时也是哈佛医学院(HMS)的系统生物学教授。“我们在各种最先进的合成生物学应用中为PER提供概念验证数据，这些应用清楚地突出了该技术的广泛潜力。”

Wyss Institute的团队使用这一新概念设计了一系列用于各种应用的PER DNA转录本，包括称为DNA-origamis的大型DNA纳米结构的自主合成，以及合成生物学方法，其中DNA转录物的合成取决于触发因素，如癌症相关的小微RNA。他们的PER方法甚至可以生成DNA转录本，这些转录本来自逻辑评估的不同触发器组合，类似于Yin的团队今年早些时候发布的RNA Ribocomputing Devices。

有趣的是，PER DNA转录本身可以自我催化，能够切割任意的靶RNA，成为荧光标记的探针，可以放大特定分子刺激的存在，或“分子记录器”，忠实地指示某些分子信号出现的顺序。他们的环境。

要启动PER级联，需要两个基本组件。一种被称为“催化DNA发夹介体”，其是单链DNA分子，其与其自身部分配对以形成具有短突出单链的发夹结构。该突出物旨在捕获PER级联的第二组分，即“引物”，其包含与突出端互补的区域。通过一系列延伸和置换反应，引物用催化发夹介体提供的序列延伸，然后排出。这可以释放催化发夹介体，通过捕获新的起始底漆或已经拉长的底漆等级来进行下一轮工艺的级联 - 等等。

这些复杂的合成途径自主地进行，与执行给定任务的分子机器人相当，并且在单一温度下，这使得该技术非常稳健。“这种方法给了我们巨大的创作自由：我们不仅可以一次又一次地合成相同的DNA片段作为新增的序列，但我们也可以通过改变催化剂的组成来改变DNA序列的类型。在装配过程中，混合物中的发夹DNA和引物。这使得我们可以将合成分支分离到不同的方向，并错综复杂地模拟最终DNA转录本的组成，“该研究的第一作者Jocelyn Kishi说道，他是HMS的国家科学基金会(NSF)研究生研究员，研究Yin的Wyss学院团队。“我们正在努力为各种应用实施PER级联，包括分子记录器，复杂的诊断和组织成像。我们还希望有一天这些系统可以在活细胞中用作能够以特定方式记录事件或重新编程细胞行为的装置，“Kishi说。

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