模块化编程相互作用与几何特异性实现复杂DNA折纸纳米结构的可编程组装

《Nature Communications》：Modular programming of interaction and geometric specificity enables assembly of complex DNA origami nanostructures

本研究针对传统DNA折纸技术组装几何结构单一、成本高昂的难题，开发了一种模块化设计策略。通过独立编程三角形DNA折纸单元的相互作用特异性与结合角度，成功构建了包括T=13二十面体壳和环形曲面在内的复杂二维流形结构。该研究为合成具有非均匀曲率的生物启发式纳米材料提供了高效平台。

　　

在自然界中，病毒衣壳和微管等生物分子结构能够通过自组装形成复杂而精确的几何形态，这种能力一直启发着科学家们设计合成纳米结构。DNA折纸技术作为纳米技术领域的重要平台，通过将长链DNA支架与短链订书钉杂交，能够构建具有可编程形状和相互作用的纳米结构。然而，传统方法面临两大挑战：一是每个新结构都需要完全重新设计DNA链，导致高昂的成本和耗时；二是现有技术主要局限于组装具有均匀曲率的简单结构，如平面片层和简单多面体，而对于具有复杂非均匀曲率的二维曲面结构则难以实现可编程组装。

近日发表在《Nature Communications》上的研究提出了一种突破性的模块化设计策略。该团队设计了一种边长50纳米的空心三角柱DNA折纸基本单元，其创新性体现在两个独立可编程的模块：通过单链DNA（ssDNA）悬垂序列编码特异性相互作用（结合特异性），通过双链DNA（dsDNA）支柱长度差异控制结合角度（几何特异性）。这种设计使得不同结构可共享超过70%的核心订书钉链，显著降低了成本。研究人员通过低温电子显微镜（cryo-EM）、琼脂糖凝胶电泳和粗粒度分子动力学模拟（oxDNA）系统验证了结合角度与DNA支柱长度之间的定量关系，建立了可靠的设计规则。

关键技术方法包括：模块化DNA折纸设计制备、低温电子显微镜单颗粒分析与多体细化、oxDNA粗粒度分子动力学模拟、动态光散射（DLS）表征、负染透射电镜（TEM）和电子断层扫描成像。研究通过对称性引导的逆向设计方法确定最小亚基组合，并在20-30 mM MgCl₂条件下通过精确控温退火实现自组装。

研究结果验证了该平台的强大能力：

模块化设计概念

研究核心是三角形DNA折纸单元，其界面订书钉包含固定部分和可变部分。可变部分由"键合域"（5核苷酸ssDNA，控制特异性）和"角度域"（可调dsDNA支柱，控制结合角度θ）组成。通过调整相邻界面订书钉杂交形成的dsDNA区域长度差（nδ），实现0-15 bp范围内的角度编程。几何模型预测θ与nδ呈线性关系，公式为θ=2arcsin(0.34 nm×nδ)/(2×2.6 nm)。

结合角度的设计与表征

通过三种互补方法系统量化了结合角度：cryo-EM三维重构显示+10δ二聚体平均角度为41.5°；oxDNA模拟在298 K下预测的角度与凝胶电泳实验结果高度一致；自闭合结构（顶点和环状组装）的产率分析进一步验证了角度编程的准确性。最终建立了实用设计规则：正角度为+6.65°/bp，负角度为-6.28°/bp。

Deltahedral壳的自组装

使用三边相同的自互补三角形，成功组装了从二维平面到四面体、八面体、二十面体等柏拉图多面体，产率达26%-35%。系统还表现出柔性，组装出多种非柏拉图多面体，展示了结构多样性。

可编程自组装复杂自限性结构

最终成功组装了两个高度复杂的结构：T=13二十面体壳由5种独特三角形（7种角度，-9.3°至42°）组成，直径约340 nm，动态光散射证实了其尺寸分布；环形曲面由12种三角形（7种角度，-49.1°至109.5°）构成，通过TEM断层扫描清晰展示了其中空结构和四重对称性，成功实现了正负高斯曲率的空间编程。

研究结论表明，这种模块化设计策略实现了相互作用特异性与结合角的独立编程，为复杂二维流形的理性设计提供了通用框架。该方法首次实现了无需迭代试错即可直接组装T=13二十面体壳和环形曲面等复杂结构，将DNA折纸的应用范围扩展到病毒模拟、药物递送和光子材料等领域。尽管在大结构产率优化和界面设计方面仍需进一步探索，但这项工作标志着自组装系统向完全预测性理性设计迈出了关键一步。