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【科学前沿】生殖健康研究所肖先金课题组DNA纳米技术领域获进展

来源:生殖健康研究所 2021-07-05 14:36:32 点击数: 编辑:张地


国际著名期刊《ACS Nano》(IF 15.881)近日在线发表了生殖健康研究所肖先金教授题为Multifunctional Clip strand for regulation of DNA strand dis-placement and construction of complex DNA nanodevices的研究论文。(论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c01763


 

DNA纳米技术是纳米技术的一个重要分支,基于碱基互补配对的高特异性和可编程性,DNA可以被设计成具有特殊功能的纳米装置,例如DNA电路和DNA机器人。目前,这些功能强大的DNA纳米装置已经在药物递送、靶向识别、光热治疗、生物成像、合成生物学等诸多生物医学领域中取得了广泛的应用,并逐渐成为未来医药技术的重要发展方向。

DNA链置换反应是构建各种DNA纳米装置的基础元件。其中,Toehold介导的DNA链置换反应的应用最为广泛。然而,目前可用于精细调节Toehold介导的DNA链置换反应的调控元件十分有限,而且它们的调控功能单一,严重限制了DNA纳米装置向结构更复杂、功能更强大的方向发展。

肖先金课题组开发了一种新型DNA链置换反应调控元件:Clip。Clip元件集多种调控功能于一体,包括反应速率的精细调整、变构链置换、选择性激活和重置反应。新型调控工具为单链 DNA,分为入侵区域(I)、调控区域(R)和目标区域(T)。I与部分入侵链互补,T与目标dsDNA 互补,R 是长度可调的区域。通过调节R区域的长度可以实现DNA链置换反应速率的精细调控。


 

图一、(a)“Clip”元件工作机制原理图;(b-e)“Clip”调控DNA链置换反应速率实验结果及动力学模型。

 

 

 

图二、Clip元件编程DNA walker的行走路径


利用Clip多功能的优势,我们进一步构建了基于Clip元件的DNA步行机(DNA walker),实现可控行走和可编程路径的独特功能。此外,课题组还构建了基于Clip元件的 AND/OR 逻辑门并集成这些逻辑门,实现复杂的逻辑电路。查阅文献可知,我们构建的 DNA 逻辑电路是第一个真正意义上可以重复计算、处理不同输入信号的 DNA 电路。

课题组开发的新型DNA链置换反应调控元件“Clip”成功地对各种DNA纳米机器进行兼容,实现多种灵活且复杂的功能,可以极大拓展DNA纳米机器在核酸研究和医学领域的应用。

威尼斯官方网址下载生殖健康研究所是本文的唯一完成单位。临床医学八年制15级本科生刘理权、临床医学八年制15级本科生胡清漪、临床医学八年制16级本科生张温凯是本文的共同第一作者。生殖健康研究所肖先金教授是本文的唯一通讯作者。

肖先金教授是生殖健康研究所2016年引进的人才,目前主持了国家自然科学基金青年项目、面上项目,湖北省重大科技攻关子课题等8个项目,获得了中国新锐科技人物卓越影响奖、武汉市晨光计划、华中科技大学学术新人奖等人才奖励。入职华中科大五年来,发表第一作者/通讯作者论文30余篇,包括Nature Communications、Nucleic Acids Research等,总影响因子超过180。


图三、基于Clip的可重复运算的DNA逻辑电路



此外,肖先金教授积极探索临床医学八年制学生的科研培养,目前,课题组有10名临床医学八年制学生,发表了第一作者论文10余篇,其中两名八年制学生分别获得湖北省优秀大学生科研成果奖一、二等奖。

生殖健康研究所长期以来大力支持学科交叉、融合创新与前沿探索,为青年人才的发展提供了良好的环境。同时,研究所积极鼓励本科生了解生殖医学、参与相关科学研究,为建设生殖医学本科专业打下了坚实的基础。