DNA nanosystem文献分享

Anal. Chem.| 用于癌症逻辑识别、立足点解体、视觉双重诊断和协同治疗的ssDNA框架纳米机器人的计算辅助设计

 

随着DNA纳米材料的发展，DNA纳米机器人在基于分子触发反应的智能药物递送方面展现出了巨大的潜力。作为纳米技术的一项突破，三维(3D) DNA纳米结构的设计具有可控制的尺寸、不同的形状和空间寻址能力。然而，目前的应用主要集中在双链DNA (dsDNA)的“肩并肩”配置方式，以碱基为“砖块”。它们的应用主要集中在纳米结构外的末端修饰。这通常会忽略碱基序列上的生物信息，限制了核酸碱基的生物学用途。因此，DNA纳米结构的可修改性和立足点动力学将在一定程度上阻碍DNA纳米结构的生物应用因此，需要一种具有改进可变性、碱基利用和立足点动力学的替代DNA纳米结构。

 

近日，北京师范大学那娜教授团队在analytical chemistry期刊上发表题为“Computation-Assisted Design of ssDNA Framework Nanorobots for Cancer Logical Recognition, Toehold Disintegration, Visual Dual-Diagnosis, and Synergistic Therapy”的研究论文，

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c04916

该研究发布了一种新型单链DNA新型组装的DNA Robort，设计了稳定的五面体ssDNA骨架纳米机器人(ssDNA纳米机器人)。在两个功能siRNA (S1和S2)的辅助下，两条ssDNA链成功组装成ssDNA纳米机器人，包括5个功能模块(骨架固定、肿瘤细胞膜蛋白逻辑双识别、酶加载、双miRNA检测和协同siRNA装载，可用于多种应用。通过理论计算和实验证明，ssDNA纳米机器人具有稳定性、灵活性、高利用率和低折叠误差。此后，ssDNA纳米机器人被成功应用于逻辑双识别靶向、高效和癌症选择性内化、可视化双检测miRNA、选择性siRNA传递和协同基因沉默。这项工作为构建灵活、多功能的ssDNA框架提供了计算途径，扩大了核酸纳米结构的生物学应用。

 

方案设计：D1和D2的中间区域相互补充，以dsDNA模式获得五面体骨架固定模块(I)(红色)。另外，D1和D2的两端用splint R ligases连接，形成两个闭合的ssDNA (D1形成BAPB '侧，D2形成CAPC '侧，图1A)。其中，D1和D2的黑色部分(图1A)分别被设计用来补充S1和S2的伸出端。这将有助于缩短BAPB '和CAPC '之间的距离。从而形成结构稳定的右侧(PB ' C ')、底部(ABC)和倾斜侧(BB ' C ' C)，从而得到一个稳定的五面体ssDNA纳米机器人。因此，在两个siRNA (S1和S2)的辅助下，设计了两条ssDNA链，组装成以ssDNA为主要成分的ssDNA纳米机器人。

同时，为了保证CEM细胞的逻辑识别，在D1和D2中间选取sgc8c和sgc4f12适配体作为模型进行设计。因此，设计了细胞膜蛋白逻辑双识别模块(II)(紫色部分)。随后，phi29 DNA聚合酶被加载到绿色区域，通过经典的SMCC策略通过与短硫代ssdna相互作用实现酶加载(III)。值得注意的是，BB '和CC '的闭合曲线被设计为双靶向miRNA检测模块(IV)。此外，由于人表皮生长因子受体2 (HER2) sirna和血管内皮生长因子(VEGF) sirna对VEGF的协同沉默作用，将它们装载到ssDNA纳米机器人上。如图1A所示，两个siRNA (S1: VEGF siRNA, S2: HER2 siRNA)固定在BC和B ' C '，实现协同siRNA加载(V)。注意S1和S2不仅固定了五面体结构，而且还作为协同沉默试剂用于癌症治疗。

借助MD(molecular dynamics)模拟, 对方案设计的可行性验证。

 

 

 

图二对nanorobots的形态和化学特征进行表征。

体内应用示意图。同时实现双miRNA检测，基因沉默。

 

 

对该体系的膜蛋白识别策略进行验证，通过检测膜蛋白不同表达的细胞系进行验证。

基因沉默对活体的治疗效果。

 

在MD模拟的辅助下，通过自组装，简单地制备了具有多个模块的ssDNA框架纳米机器人。该方法突破了ssDNA纳米结构设计的难点，赋予纳米机器人较高的组装效率和碱基利用率。ssDNA纳米机器人具有极佳的组装灵活性，设计了5个功能模块，可用于多种应用。成功实现了肿瘤特殊逻辑识别与内化、简单立足点崩解、敏感视觉双重诊断、选择性给药、协同基因沉默等治疗。这一策略以智能计算的方式拓宽并开启了DNA纳米结构的生物学应用。值得注意的是，ssDNA框架的结构不能表现出像dsDNA那样严格的结构，这可能会以一种更灵活的方式启动生物应用。此外，考虑到现有的ssDNA框架中仍包含部分dsDNA，因此值得进一步研究ssDNA框架的设计。

 

 

编辑：王本初

 

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