合成DNA凝聚体中可编程内部分相机制的实验与理论探索

这篇研究通过构建模块化的DNA纳米星（NS）和连接体系统，揭示了合成生物分子凝聚体（LLPS）内部分相的可编程调控机制。研究者利用两种正交的四臂DNA纳米星（A/B型）和三种二价连接体（aa/bb/ab），通过改变连接体化学计量比（Fab）实现了从单相到双相凝聚体的可控转变，并建立弗洛里-哈金斯（Flory-Huggins）模型定量预测相行为。该工作为理解生物多相凝聚的物理原理和设计功能化合成细胞器提供了新范式。

　　

模块化DNA系统揭示相分离调控规律

2.1 系统设计原理

研究团队构建了由两种四臂DNA纳米星（NS A/B）和三种连接体（aa/bb/ab）组成的模块化系统。NS通过20bp双链臂末端的6nt粘性末端（SE）实现特异性结合，其中α/α和β/β的设计确保相似杂交自由能（-8.98至-10.25 kcal mol^-1）。通过两阶段退火程序（95℃解链后55℃缓慢冷却），系统可形成从完全分相到完全混相的多种凝聚态。

2.2 理论模型构建

研究者创新性地将六组分系统简化为三组分弗洛里-哈金斯（F-H）模型，通过相互作用参数χ_AA、χ_BB和χ_AB隐式描述连接体介导的作用。模拟显示当χ_AB降低时，体系会经历从Janus结构到均匀混合的转变，与实验观察高度吻合。该模型成功预测了界面张力比γ_A/γ_AB与接触角θ的定量关系。

2.3 相图精确测绘

在固定总浓度（[NS]=0.5μM，[linker]=1μM）条件下，系统通过两个自由度参数（F_A和F_ab）实现相态调控。研究发现当交叉连接体比例F_ab超过0.25时（对应经验参数F_α→β=F_β→α≈0.5），体系发生单-双相转变。引人注目的是，分区系数ρ_A/B数据显示所有组分在F_ab≈0.25时均呈现数据塌缩现象。

2.4 熔解温度调控

通过变温荧光显微技术测定发现，熔解温度T_m呈现非单调依赖：纯aa/bb连接体（F_ab=0）时T_m最高（约45℃），F_ab=2/3时出现最小值。该现象可通过键合数组合公式D_tot=8N(1-3F_ab/4+F_ab²/2)完美解释，揭示熵效应对相变温度的调控作用。

2.5 动力学影响因素

对比不同退火协议（35-39℃等温孵育vs 55-25℃慢速退火）发现，低温长时间孵育更易获得热力学平衡态。值得注意的是，F_ab=0.2的样品在快速淬火时形成亚稳态纳米域，而慢速退火则产生宏观分相结构，说明DNA凝聚体的重组时间尺度（估算10^-1-10^-2 μm² s^-1扩散系数）对最终形貌具有决定性影响。

生物学启示与技术前景

该工作建立的"连接体化学计量比-相行为"定量关系，为理解核仁等天然多相细胞器的形成机制提供了新视角。通过调节SE序列的GC含量或NS臂长，未来可设计具有核壳结构的智能凝聚体。该平台在合成细胞器构建（如人工核仁）、生物传感（相变响应）和药物递送（区室化载药）等领域展现出独特优势，特别是其响应离子强度的特性（10^-1 μm² s^-1级扩散调控）为开发动态功能材料开辟了新途径。