DNA折纸术（DNA origami）是通过控制DNA分子的折叠构建精确的纳米结构和器件的方法。它在纳米材料构建、纳米机器人、药物传递、分子传感和纳米电子学等领域具有广泛应用。通过设计特定的DNA结构，可以构建纳米结构、纳米器件和纳米电子学器件，实现精确控制和操作。此技术还可应用于纳米药物传递系统、分子传感和检测，为生物医学、纳米科学和能源技术提供新的解决方案。
DNA折纸（DNA origami）的概念最初是由加州理工学院的研究员Paul Rothemund在2006年提出的。在一篇发表在Nature的论文《Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns》中，Rothemund描述了如何通过合成短的互补DNA片段（称为“引导片段”）来控制长的单链DNA分子的折叠。通过设计合适的引导片段序列，可以使长链DNA在特定的条件下自行折叠成目标形状，如矩形、三角形等。这种自组装的DNA折纸方法为精确控制纳米尺度上的结构提供了一种简单而强大的工具。
自2006年以来，研究人员不断改进了DNA折纸的方法和技术，实现了更复杂、更精确的结构。例如，通过引入多个引导片段和辅助片段，可以构建出更多样化的形状和结构。还开发了各种辅助工具和软件，如CADnano和Tiamat，用于设计和模拟DNA折纸结构。
尽管DNA折纸术具有高度可编程性和响应性，但目前存在一些限制。主要限制包括构型转换受限、依赖于链置换反应、机械性能调节有限以及动态行为受特定相互作用和浓度限制。
2023年7月5日23:00，首尔大学Do-Nyun Kim教授以纸张在不同形状之间可重复折叠和展开的概念为灵感，构建了一个与折纸中的褶皱模式相同的DNA线框结构。通过这种方法，他们能够利用核酸分子、pH值或光来触发DNA的折叠、展开和再折叠，从而形成不同的形状。相关论文以“Harnessing a paper-folding mechanism for reconfigurable DNA origami”为题，发表在权威学术期刊《Nature》，并被选为封面论文，第一作者为Myoungseok Kim。
纸张折叠机制是一种在宏观尺度系统中广泛应用的方法，因其在将可变形状和刚度编程到结构中具有独特的能力和优势而备受关注。然而，在构建分子级系统方面，由于缺乏合适的设计原则，纸张折叠机制几乎未被开发利用，尽管已经开发了基于DNA自组装的各种动态结构。
该研究提出了一种利用纸张折叠机制创建可重构DNA折纸结构的方法。主要思想是构建一个参考的平面线框结构，其边缘遵循纸张折叠的褶痕模式，从而可以将其折叠成各种目标形状。
为此，研究团队设计了一个称为"DNA线框纸"的参考折纸结构，其边缘沿着目标折痕模式和纸张的边界形成。边缘由足够坚硬的两股DNA束组成，以保持整体结构的完整性。
为了实现DNA线框纸的各种折叠，在折叠线上引入了被称为折痕处理的单链DNA突出部分，其中包含两种类型的突出部分：3'端（粉色）和5'端（橙色）。突出部分由8个核苷酸长的单链DNA用于配对和3个核苷酸长的聚（T）基团用于间隔（黑色）。
通过添加与折痕处理互补的胶粘剂链条，可以激活DNA线框纸的折叠。每个胶粘剂链条在其末端具有5个核苷酸长的引物，当添加与胶粘剂链条互补的释放剂链条时，通过引物介导的DNA链置换反应，可以展开已折叠的结构。
根据折叠类型，每个折痕被标记为H（半折叠）或Q（四分之一折叠）。为了建立可编程的折痕模式，将结构分成28个边，其组成的钉子被模块化地替换为与目标折叠配置的折痕处理配对物的钉子。为了说明这一点，他们设计并构建了八种SQ型DNA线框纸的折叠模式。原子力显微镜（AFM）测量证实，所有八种折叠配置都能如预期地成功实现！
研究团队随后增加带有折痕处理配对物的边的数量提高了胶粘剂链条和折痕处理配对物之间的结合概率。H2型折叠（具有一个边的折痕处理配对物）显示了最低的产率，但随着边的数量分别从一个增加到两个再到三个，产率从38%增加到84%，最终达到94%。使用间隙局部调节顶点刚度将是一种在不损害DNA线框纸整体结构完整性的情况下优化折叠产率的有效方法。
他们展示了正交折叠、可重复的折叠和展开、基于折叠的微RNA检测以及荧光信号控制。同时，他们还展示了通过pH或光源变化触发的刺激响应性折叠和展开。此外，通过采用分级组装的方法，他们可以高度可编程地扩展纸张折叠机制的设计空间和复杂性。
总之，在此项研究中，借鉴纸张折叠机制的思想，可以将DNA分子设计成可折叠和可变形的结构，通过控制DNA链的配对和分离，实现DNA在不同形状之间的转变。通过在DNA分子上设计特定的配对序列和连接方式，可以将DNA分子构建成具有可折叠和可变形能力的结构。这些结构可以根据特定的刺激或条件，如温度、pH值、光照等，实现折叠、展开和再折叠，从而改变形状和结构。
参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06181-7
https://doi.org/10.1038/nature04586
来源：BioMed科技
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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