非惰性悬垂末端DNA寡聚体熔解行为的建模研究及其在纳米结构设计中的意义

这篇综述通过实验与计算模型（NUPACK和oxDNA）相结合，系统研究了非惰性悬垂末端（non-inert dangling ends）长度对DNA寡聚体（二价连接体和三价纳米星）熔解温度（Tm）的影响。研究发现，悬垂末端长度对DNA双链稳定性影响微弱，为DNA超分子结构（如DNA水凝胶）的层级组装设计提供了关键热力学依据，并揭示了计算模型在预测复杂核酸系统行为中的优势与局限。

　　

1 引言

DNA不仅是遗传物质，近40年来更成为纳米技术的重要构建模块。其自组装依赖沃森-克里克碱基互补配对，而高阶结构（如DNA水凝胶）的层级组装需精确控制熔解温度（T_m）。悬垂末端（dangling ends）的存在可能影响双链稳定性：惰性尾部（如聚胸腺嘧啶）会随长度增加单调降低T_m，但非惰性末端的效应尚不明确。本研究通过实验与计算模拟，揭示了非惰性悬垂末端对DNA双链熔解行为的影响规律。

2 方法

2.1 系统描述

设计了两类DNA构建体：二价连接体（26 bp双链核心+可变长度悬垂端，LS_X，X=0-12）和三价纳米星（Y形结构，各臂含12 bp非惰性尾部）。通过紫外光谱（260 nm吸光度）测定T_m，并与NUPACK（统计力学模型）和oxDNA（分子动力学模型）预测结果对比。

2.2 实验方法

DNA寡核苷酸经HPLC纯化后溶解于10 mM PBS（含100 mM NaCl），通过温度梯度（1°C/min）记录吸光度变化，以曲线中点定义T_m。

2.3 计算模型

NUPACK基于最小自由能（MFE）预测二级结构，但可能高估悬垂端的影响；oxDNA则通过核苷酸粗粒化模型（图1d）模拟氢键动力学，支持GPU加速的大规模模拟。

3 结果与讨论

3.1 实验验证

紫外光谱显示，LS_X的T_m在58-60°C间波动，与悬垂端长度无关（图3），而Y形结构因空间位阻T_m降至54°C，证实层级组装的热力学控制机制。

3.2 模型对比

NUPACK错误预测T_m随n_tail增加而下降（图2b），因其将悬垂端误判为未配对区；oxDNA虽系统性高估T_m约3-6°C（图3），但成功复现实验趋势，归因于其对静电作用和局部堆积效应的精确建模。

3.3 热力学机制

非惰性悬垂端通过残基堆叠和电荷平衡抵消熵增效应，使双链核心稳定性不受尾部长度影响。这一发现为设计动态DNA材料（如环境响应型水凝胶）提供了新思路。

4 结论

研究证明，oxDNA的分子动力学模拟能可靠预测非惰性悬垂端DNA的熔解行为，而NUPACK因理论局限仅适用于短链。未来可扩展至多价纳米结构（如Y形-连接体网络）的熔解分析，推动DNA纳米器件的精准设计。