DNA纳米技术中的左手螺旋

《JACS Au》：Left-Handed Helices in DNA Nanotechnology

　　

DNA纳米技术涉及将DNA用作材料构建纳米级形状与结构。该策略通常使用常规的右手B型DNA进行纳米尺度构建。在某些情况下，交替核酸结构（如形成左手螺旋的结构）被用于纳米结构的设计与组装。为纳米结构创建左手螺旋采用Z-DNA这一左手结构，或采用L-DNA链以形成左手双链。此外，研究人员也构建了具有全局左手螺旋性但底层为右手B-DNA单元的结构。本视角文章讨论了DNA纳米技术中使用的左手螺旋、其应用及未来影响。

研究背景方面，DNA纳米技术依赖双链DNA的精确设计与螺旋参数，绝大多数纳米结构底层为典型右手B型DNA（B-DNA）。尽管右手螺旋占主导，但左手DNA螺旋在纳米结构中的构建逐渐受到关注。天然特定序列与环境可诱导左手结构，如GC重复序列形成Z-DNA（左手锯齿状双螺旋），钴六胺等反离子促进其形成；合成核酸类似物L-DNA（含左手脱氧核糖核苷酸）可组装为左手双链，是D-DNA的镜像，抗核酸酶消化、不与天然蛋白非特异性结合且不能与D型核酸杂交。目前右手B-DNA体系成熟，但左手螺旋（天然Z-DNA与合成L-DNA）及全局左手拓扑结构如何赋予纳米结构新功能、提升生物稳定性并拓展生物应用，尚待系统梳理，因此研究人员在《JACS Au》发表本视角文章，整合静态/动态/拓扑左手结构及其在传感、计算、递送中的进展。

关键技术方法上，研究人员综合采用四类策略：其一，以L-DNA置换D-DNA组件链构建静态结构（四臂结点、纳米管、多面体、3D晶体），并利用核酸酶消化与血清孵育评估稳定性；其二，利用原型Z序列（如d(CG)₁₀甲基化胞嘧啶）与稀土离子（La³⁺、Ce³⁺、Pr³⁺）或钴六胺诱导B–Z构象转换，以EDTA逆转，驱动纳米机械旋转；其三，设计switchback DNA（系列B-DNA半圈侧向排列成全局左手、链平行）与meta-DNA（6螺旋束模块化组装为左手meta-helix），并以嵌入剂（溴乙锭）诱导全局扭转变形；其四，将L-DNA用于药物载体、DNA-PAINT探针及基于亲和力的链置换逻辑门，无特定临床样本队列，多为细胞系（MCF-7）与小鼠模型（AKI、脑肿瘤）。

研究结果部分，“静态结构涉及左手DNA”小节指出，L-DNA四臂结点熔解温度约45℃与D-DNA相近但抗外切酶；L-DNA纳米管呈右手整体手性（D-DNA管为左手），表明管手性关联螺旋内禀手性；L-DNA立方体在10%血清中12小时近完整（D型10分钟降解），四面体亦增强血清稳定性，尺寸越小越稳定；L-DNA自组装3D晶体腔约4×2×5 nm，DNase I 37℃ 6小时不降解。混合手性节点（D/L核苷酸置于B-DNA结点）可织造正/负节点平面结构，克服Z-DNA序列局限。甘油核酸（GNA）(R)/(S)构型可形成左右手螺旋，4臂结点熔解温度76℃远高于DNA的37℃。

“涉及左手螺旋的动态器件”小节显示，双交叉（DX）分子间20 bp proto-Z段在高离子强度加钴六胺时转为Z-DNA，器件绕连接轴旋转约128°；三臂结点中LaCl₃ 5 mM、CeCl₃ 7.5 mM、PrCl₃ 10 mM诱导B–Z，3T环比5T环敏感，EDTA可恢复B型。L-DNA“toecap”端帽保护D-DNA电路在血清中抗外切酶，实现异手性翻译系统。

“拓扑左手DNA纳米结构”小节表明，switchback DNA全局左手、链平行、底层半圈为右手B-DNA，抗DNase I与T5外切酶且免疫原性低；meta-DNA由6螺旋束通过meta-碱基对组装为微米级左手meta-helix；DNA纳米轨（两6螺旋束多交叉连接）加溴乙锭后束解旋呈左手扭转，浓度饱和。

“应用”小节总结，L-DNA多面体递送DNAzyme 8–17沉默MCF-7中miR-21，递送AS1411适配体增强肿瘤靶向，L-DNA四面体肾靶向递p53 siRNA治小鼠AKI剂量更低、凋亡少，脑微血管内皮受体配体L-DNA立方跨血脑屏障递ASO抑胶质瘤；L-DNA立方封装D-DNA探针用于DNase激活microRNA检测，L-DNA寡聚体用于DNA-PAINT降背景；switchback DNA亲和力链置换操控DNA镊子与3D晶体逻辑门。

讨论与结论部分，研究人员指出左手螺旋提升结构稳定性与生物相容性，手性影响寡核苷酸胞内行为（L-RNA G富集单链毒性更高，L-DNA未见此效），蛋白冠化学身份决定富集器官（L-DNA四面体肾、2′-F-RNA四面体肝）。B–Z转换提供离子/金属调控的动态重构机制，稀土可逆切换尚未推广至大结构。未来可融合L-DNAzyme金属传感、2′-O-甲基增强热稳、低离子Z诱导修饰（2′-F-araC等）、镜像聚合酶/连接酶操作L-DNA、微阵列合成降本。结论为：DNA作为可编程支架，合成拓扑手性结构扩充了核酸纳米技术工具箱，为功能材料与架构设计提供新维度。