《Nucleic Acids Research》：Acoustically seeded fabrication of a DNA tesseract into a conductive wire
编辑推荐：
本文报道了一种仅由16条寡核苷酸自组装形成的DNA超立方体（tesseract）结构，该结构具有84°C的超高熔解温度和23.44 MPa的杨氏模量。通过表面声波技术将纳米结构定向排列成500微米级导电导线，电导率提升4.21倍，为DNA基生物电子器件开发提供了新范式。
在生物电子学快速发展的今天，如何构建兼具生物相容性和功能性的微米级器件一直是领域内的核心挑战。DNA作为天然生物分子，理论上是最理想的生物电子材料候选者，但其纳米结构的稳定性不足（熔解温度通常仅为50-70°C）且缺乏宏观组装控制策略，严重制约了实际应用。传统DNA折纸术虽然能构建复杂结构，但需要数百条短链与长链支架的精确配比，工艺复杂且成本高昂。
近日，香港大学Julian A. Tanner团队在《Nucleic Acids Research》发表突破性研究，报道了一种基于16条寡核苷酸自组装形成的DNA超立方体（tesseract）结构。这种受四维超立方体启发的嵌套立方体结构展现出惊人的热稳定性（熔解温度84°C）和机械强度（杨氏模量23.44 MPa），并能通过表面声波（SAW）技术定向组装成跨度超过500微米的导电导线。该研究为DNA基生物电子器件的开发开辟了新途径。
关键技术方法包括：1）通过Tiamat 2.0软件设计四面体亚基组装策略；2）采用低温电子显微镜（Cryo-EM）和原子力显微镜（AFM）进行结构验证与力学表征；3）利用342 MHz高频表面声波装置实现纳米结构定向排列；4）通过叉指电极（IDE）平台进行电导率测量。所有实验均使用商业化合成的寡核苷酸，未涉及特殊生物样本。
研究结果
DNA超立方体的设计策略
研究团队采用面基设计策略，将超立方体分解为大立方体（Bc）、小立方体（Sc）和两个梯形棱柱（A、B）四个亚基。每个亚基由四条寡核苷酸构成一个立体面，通过单碱基胸腺嘧啶在顶点连接。氧化DNA粗粒化模拟显示，小立方体仅在与其他亚基结合时才能形成稳定结构，这一发现通过荧光共振能量转移（FRET）实验得到验证：完整超立方体的FRET信号强度是孤立小立方体的10倍，证实了亚基间的协同稳定作用。
结构稳定性表征
低温电镜单颗粒分析显示，超立方体具有八面体对称性，全局分辨率达14.16 ?。特别值得注意的是，内部小立方体区域的分辨率明显高于其他部分，表明其具有极高的结构刚性。原子力显微镜力谱测量揭示，超立方体的能量耗散（0.033×10-18J）仅为大立方体结构的1/23.7，证明嵌套结构能有效抵抗形变。热稳定性分析显示，完整结构的熔解温度达84°C，而孤立小立方体仅为54°C，说明超立方体框架对小立方体产生了显著稳定效应。
声波引导的导线组装
研究人员在超立方体对角位置添加互补锚定序列，使两种预制超立方体可通过杂交连接。采用342 MHz高频表面声波（波长10微米）处理30分钟后，毛细管中形成平均直径1.93微米的簇状聚集体。将这些簇沉积到硫醇化锚定链修饰的叉指电极上，通过杂交反应成功获得跨度超500微米的连续导线。扫描电镜和共聚焦显微镜成像确认了导线结构的完整性。
电导特性验证
线性伏安扫描测试显示，声波处理后的超立方体导线电流值达130 nA（0.8 V），电导率较随机聚集结构提升4.21倍。对照实验表明，缺少小立方体的BcA结构和等尺寸DNA四面体均无法形成稳定导线。通过金纳米颗粒修饰后，导线电导率可进一步提升约2倍，证明该平台具有良好的功能化拓展潜力。
这项研究首次实现了通过声波引导DNA纳米结构定向组装成功能性电子器件。超立方体独特的嵌套设计不仅解决了DNA纳米结构稳定性不足的瓶颈问题，其模块化组装特性更为复杂生物电子电路的建设提供了新思路。这种仅需16条寡核苷酸的高效组装策略，相较于传统DNA折纸术大幅简化了制备流程，为DNA纳米技术在生物传感、靶向给药等领域的应用开辟了更广阔的前景。
