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          客觀日本

          掀起DNA折紙革命——京都大學成功開發出新型結構穩定化技術

          2023年12月22日 生物醫藥

          京都大學能源理工學研究所的Kirankumar Krishnamurthy研究員、Arivazhagan Rajendran講師、中田榮司副教授、森井孝教授等人組成的研究團隊發表研究成果稱,開發出了一種可以使納米生物材料DNA折紙變得更加堅固的技術。通過在含有二甲基亞砜溶劑中進行酶反應或使用溴化氰進行化學反應,成功地用天然DNA高效地連接起了DNA折紙中的裂縫,同時DNA折紙在高溫和細胞裂解液等各種條件下的穩定性也明顯提高。這一成果有望擴大DNA折紙的應用范圍。相關信息已發布在9月21日的《Small Methods》在線版上。

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          各種DNA折紙以及本方法實現的結構穩定化(供圖:京都大學)

          DNA折紙是由DNA自組裝形成的納米級別的二維或三維結構,于2006年由美國加州理工學院首次開發成功。通過向作為模板的環狀單鏈DNA中加入短的互補鏈DNA并加熱,緩慢冷卻后就可以簡便且定量地制備出設計好的DNA納米結構。這項技術有望在藥物或疫苗的遞送、病毒的抑制等方面廣泛應用,但穩定性低一直是該技術的一個問題。到目前為止雖有報道稱通過化學修飾可實現其穩定化,但這些方法會改變DNA折紙的功能。為了發揮其功能,有必要在保持天然DNA的狀態下實現結構穩定。

          此次研究團隊考慮到DNA折紙中的數百個裂縫可能是DNA折紙穩定性低的原因。研究表明,利用在含有二甲基亞砜(DMSO)的溶劑中的酶反應,或是使用溴化氰(CNBr)的化學反應,可以高效連接DNA折紙上的數百個縫隙和缺口。

          研究證實,這兩種方法都對二維結構的折紙的穩定化有效。特別是對于三維形狀的折紙,通過溴化氰反應連接的方法是有效的,即使在高溫、細胞裂解液等不利于DNA折紙的條件下,DNA折紙的穩定性也顯著提高。

          出乎研究人員意料的是,在DMSO存在的情況下酶的連接效率明顯提高。這代表DMSO不僅能使酶穩定化,還有可能誘發DNA結構產生變化,把反應點的DNA結構朝著有利于反應的方向變化。

          森井教授表示:“以DNA折紙為代表的DNA納米材料,是一種在開發可信賴度高的藥物遞送系統、改進病毒抑制策略、開發碳中和生物能源系統等方面能夠發揮其革命性性能的納米生物材料。雖然DNA納米材料有著廣泛的應用前景,但由于其穩定性較低,一直以來被認為遠未達到社會實際應用的水平。本研究發現,如果使用化學連接試劑而不是酶,即使在三維結構DNA折紙中連接反應也能高效進行,折紙也能穩定化。我們的研究,不僅證明了將化學、生物學,以及納米技術相互融合的研究非常重要,而且顯示了通過納米生物材料,在醫療保健和材料科學等各個領域,都還存在為創造更美好社會而取得革命性技術進步的可能性?!?/p>

          另外,本研究結果出自JST CREST“細胞內環境測定多元同時傳感器的開發(項目負責人:二木史朗;執行人:森井孝)”(JPMJCR18H5)研究項目。

          原文:《科學新聞》
          翻譯:JST客觀日本編輯部

          【論文信息】
          雜志:Small Methods
          論文:Near quantitative ligation results in resistance of DNA origami against nuclease and cell lysate
          DOI:doi.org/10.1002/smtd.202300999