DNA非酶催化二聚化中的弱产物抑制机制实现高效信息传递

研究人员针对非生物体系中模板催化分子组装效率低、产物抑制严重的问题，开发了基于DNA的酶自由催化模板系统。通过结合趾介导链置换(TMSD)和柄介导链置换(HMSD)技术，实现了9种不同二聚体的高特异性催化合成，产物抑制弱(IC50 =11 nM)，周转频率达3.6 h-1 。该研究为构建合成分子模板系统提供了设计原则，在分子诊断和组合化学筛选中具有重要应用价值。

　　

生命体系中复杂生物大分子的精确组装依赖于模板催化的分子识别过程，如蛋白质翻译和RNA转录。然而，在非生物体系中实现类似的模板催化组装面临巨大挑战，特别是产物抑制效应——组装产物与模板的强结合会阻碍催化循环。虽然已有一些DNA模板系统的报道，但它们普遍存在催化效率低、特异性不足等问题，且难以扩展到更长的聚合物合成。

为解决这一难题，来自英国帝国理工学院等机构的研究人员Javier Cabello-Garcia、Rakesh Mukherjee等开发了一种基于DNA的酶自由催化系统。该系统巧妙地将二聚化自由能用于破坏产物与模板的结合，实现了高特异性、低产物抑制的催化循环。相关成果发表在《Nature Chemistry》上。

研究团队主要采用以下关键技术：(1)结合趾介导链置换(TMSD)和柄介导链置换(HMSD)设计催化路径；(2)通过荧光标记和凝胶电泳(PAGE)监测反应动力学；(3)优化趾(6 nt)和柄(8 nt)长度平衡结合与解离速率；(4)引入错配碱基对提供热力学驱动力；(5)构建三聚化和共价连接体系验证扩展应用。

【催化机制设计】系统包含两种DNA单链M_x
和N_y
，通过锁链L抑制自发二聚化。模板T_xy
先通过TMSD置换L，再通过HMSD促使M_x
与N_y
结合并释放产物。关键创新是在M_x
L中设计两个错配碱基，分别在第一和第二步骤中消除，提供约18 k_B
T的驱动力。

【系统优化】通过改变趾(4-8 nt)和柄(6-10 nt)长度，发现6t/8h组合最优，初始周转频率(TOF)达1.01±0.03 h^-1
。产物抑制实验显示IC₅₀
为11 nM，表明弱抑制特性。在模板:单体=1:400条件下，单模板可催化20-25轮反应。

【信息传递】使用三种M_x
和N_y
构建九种模板系统。凝胶电泳和荧光动力学证实特异性达80-95%，模板与产物间信息传递量为2.45 bits(理论最大值3.17 bits)。该结果展示了从少量构件选择性合成多种产物的能力。

【系统扩展】将二聚化模板整合到更大网络中：(1)通过两级模板催化三聚体A_x
B_y
C_z
形成；(2)在单体上引入点击化学基团，实现共价二聚体合成，为有机分子组合库构建奠定基础。

这项研究建立了非酶催化模板系统的设计原则，其核心创新在于利用产物形成能量促进自身与模板解离。与以往需要外部能量输入的模板系统不同，该方案实现了化学自驱动的高效催化。理论分析表明该机制可扩展至更长模板，为合成生物学和组合化学提供了新工具。特别是在DNA计算领域，该技术可用O(N)组件处理O(N²
)信号，大幅提升信息处理能力。未来通过整合更多样化的化学反应，有望实现复杂功能分子的模块化合成。