上海交大宋杰课题组与美国研究人员合作在Science上发表DNA分子机器相关成果

【研究背景】

分子机器（molecular machine）是指由分子元件组装起来进而能够在分子水平上实现纳米尺度运动或能量转换的反应系统，并因2016年诺贝尔化学奖的颁布让其广受关注。对于分子机器研究主要是源于对细胞内部蛋白分子高效、精密协作的动态观测，如分子马达。当前对分子机器的研究主要是集中在超分子体系的分子机器上，即对分子机器进行有序排列， 研究与模拟生物领域的超分子过程（如光合作用、酶的催化作用等），进而制造纳米器件实现信息传递和存储等多方面应用。当前针对超分子体系分子机器的研究主要集中在对初态和终态观测，而对其中间态变化过程的研究不多，尤其是设计和构建可控中间态信息传递的研究甚少。DNA分子由于其独特的双螺旋结构，不仅承载了几乎所有生物的遗传信息，也因其精确的互补配对能力、序列的可编程性、结构的多样性和独特的机械学性质成为构建分子机器的优越材料。通过适当的序列设计和条件控制（如链交换、环境刺激等），可以人为的操控DNA的结构变化及构想间的可控转化，进而利用DNA的可定位特性，修饰结合其他功能材料，实现纳米尺度的可控运动或特殊功能的精确变化。DNA分子机器的实现为分子机器的发展，尤其是纳米尺度下的能量转换、信息传递以及生物分子相互作用与调控机制等有着重要的意义。

【研究内容】

日前，上海交通大学青年千人宋杰研究员与美国科学家合作在《science》期刊在线发表了题为“Reconfiguration of DNA Molecular Arrays Driven by Information Relay”的论文。研究人员基于可自由变化的四臂DNA单元（anti-junction），通过有序排列将DNA单元组装成2D或者3D的阵列，得到一种全新的可变DNA分子机器 。由于每个构成单元都是可以自由变化的，进而通过触发某个特定位置的构象变化，能够产生级联反应，类似于“多米诺（Domino）骨牌”效应，实现长距离的信息传输和递送。同时，该可变DNA结构也能够可编程化地研究各中间态的转换过程。这种新型可变DNA纳米结构能够为化学反应的中间态研究以及生命活动中分子信号调控提供有力的研究工具。

【图文介绍】

图1：DNA结构设计及其分子信息传递方式

图2：各种“砖块”式DNA 结构的设计与合成

图3：DNA结构上的分子信息实时传递

图4：DNA结构上的可控信息递送

【小结】

本文通过构建新型可变DNA纳米结构，在纳米尺度下实现类似于“多米诺骨牌”可编程控制的长距离信息传递和调控，这种人为可控DNA分子机器为实现纳米尺度的可控运动或特殊功能的精确变化提供了新的平台。

论文信息：Reconfiguration of DNA molecular arrays driven by information relay，Jie Song*,†, Zhe Li,*, Pengfei Wang,*, Travis Meyer, Chengde Mao†, Yonggang Ke†, Science 22 Jun 2017: DOI: 10.1126/science.aan3377

课题组介绍：
宋杰, 第十二批中组部青年千人，上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器科学与工程系特别研究员， 在纳米生物医学工程研究所工作。于2009年兰州大学物理专业本科毕业，2014年获得丹麦奥胡斯大学生物物理方向博士学位。之后在丹麦奥胡斯大学和美国埃默里大学从事为期 博士后研究。 至今，已发表文章30余篇，其中包括 Science，Nature, Nature Nano, Nature Chemistry, Nature Communication, PNAS, JACS等国际顶级期刊，现主持滚球体育 部重点专项课题，中组部青千计划，国家自然基金等项目。 课题组现在主要的研究方向是高分辨AFM动态成像，单细胞操纵， DNA纳米技术在生物医学方向的应用，以及智能诊疗仪器的开发。详情见主页。 欢迎有研究兴趣的学生、博士后或者研究者加入实验室参与课题研究；本课题组招收具有物理、化学、生物、材料以及医学相关的研究生和博士生，有意可邮件至sjie(at)sjtu.edu.cn 。

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