新研究，酶促核酸反應分子開關

自然界中普遍存在著多樣的生物分子開關，對各種生物通路進行著關鍵的調控。例如蛋白質磷酸化和去磷酸化分子開關是最普遍和重要的分子調控開關之一。激酶和磷酸酶對多種蛋白底物的修飾是調節開關的關鍵，能夠介導分子通路發生上調或下調。這些蘊含陰陽之道的分子開關調控機制啟發了MADlab成員設計核酸納米結構的分子開關。

在過去幾十年的發展中，核酸分子作為遺傳物質被研究的同時，也作為一種分子材料用于構建納米到微米尺寸的非天然大分子結構以及對其進行動態調控。經過設計的核酸納米結構可以用于藥物遞送，分子計算，生物機器人等生物研究和應用。對核酸納米結構的動態調控使其具有更豐富的功能和應用，尤其是與酶合作進行的調控，使核酸分子工具箱具有更多的應用可能性。

為了解決酶促反應介導核酸納米結構動態變換中的非特異性反應導致的脫靶效應，本文作者對核酸序列進行了巧妙地設計，在特定的反應環境下，酶只能對工作位點進行處理，保留了非工作位點維持結構完整性的需求。經過篩選，本研究使用了具有鏈置換活性的DNA聚合酶Bsu DNAP大片段（不具有外切酶的活性）和嚴格識別序列的切口酶Nt.AlwI，構建了兩種反應環路X和Y。分子開關可以控制核酸結構發生特定形態的解離和結合。在分子環路X中，DNA聚合酶介導核酸納米結構解離，切口酶介導結構聚合。相反，在分子環路Y中，相同的DNA聚合酶介導結構聚合，而切口酶使結構解離。

進一步結合兩種分子開關的特性，本文作者實現了對核酸納米結構的一步“剪切+粘貼”操作。對多個結構進行切割的同時，各個結構單位也被連接在一起，組成新的結構樣式。利用DNA聚合酶在兩種分子開關中的不同識別位點，實現了多種數字形狀DNA納米結構的組裝。這些結果也顯示了在分子層面上陰陽的相對與相通。

該研究由清華大學生命科學學院MADlab（魏迪明實驗室）成員完成，論文成果題目為“DNA修飾酶驅動的合成分子開關” （Synthetic molecular switches driven by DNA-modifying enzymes）于2024年5月6日在線發表于《自然通訊》（Nature Communications）。

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