CN105925565B - 一种自组装级联反应中的信号响应及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于DNA纳米技术领域，涉及一种基于变型的DX tile的自组装级联反应中的信号响应及其监测方法。该方法采用tile自组装方法，构建起始tile、生长tile和终止tile三种DX tile结构变形；输入激发链c‑b‑d，由起始tile发卡颈部末端的小支点触发的原位分支迁移过程启动，发卡结构被打开，单链c‑b‑a作为新的激发连，催化起始tile末端的又一个链置换反应，产生暴露的m‑c‑b单链；单链m‑c‑b作为催化剂，诱发起始tile和生长tile之间的外部链置换反应。该设计用于搭建逻辑电路，将生化信号转化为电学信号，以信号来模拟设计逻辑电路，实现数学运算，增加信号监测与相应的实用性。

Description

一种自组装级联反应中的信号响应及监测方法

技术领域

本发明属于DNA纳米技术领域，涉及一种基于变型的DX tile的自组装级联反应中的信号响应及其监测方法。

背景技术

DNA 纳米技术在纳米结构和纳米器件上已经取得了巨大的成果。DNA 分子具有独特的双螺旋结构和碱基互补配对特征，除了作为一种传统的遗传物质决定生命发展，它在可控自组装过程中更是作为一种很理想的基建材料。基于tile的模块自组装为发展迅速的DNA纳米结构自组装奠定了基础，从分子结构水平到功能性应用水平，人们采用模块自组装技术构建出了许多精妙的结构，例如经典的DX tile、TX tile以及十字结构等等，这些结构模型为构建更加稳定复杂的纳米结构提供了较为成熟的方法和技术参考。

除了静态结构自组装，动态自组装技术的发展速度也相当迅速，它常被用于构建分子逻辑电路、催化放大剂、自动分子机器人以及结构重构等。动态DNA纳米技术主要基于DNA的杂交链置换反应，在该反应过程中，具有一对小支点的激发链与发卡结构分子互补配对，打开环状发卡结构，暴露出新的小支点，进而引发链状分支迁移过程，根据自由能规则，在常温下，使得反应体系由动力学不平衡状态向平衡状态动态发展。链置换反应作为一种动态DNA纳米技术，具有以下几个特点：

1）反应在常温条件下进行，不需要高温退火就可以形成目标结构；

2）无生化酶参与，操作简单；

3）突破了传统自组装的静态思维模式，使系统具有动态可控性。

先前的研究已经证实了DX tile结构的稳定性和可控性，它被广泛地用作结构元件构建出许多复杂的、不能通过一步退火法直接构建的三维结构。Seeman教授曾使用DXtile 并粘附生物大分子实现信号传导功能，并通过荧光标记的非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳分析出tile自组装的相继反应过程，并通过原子力显微镜观察到了预期产物结构。

发明内容

本发明提供一种基于变型的DX tile的自组装级联反应中的信号响应模型，并提供监测该信号响应的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种自组装级联反应中的信号响应，所述信号响应的具体步骤如下：

（1）采用tile自组装方法构建起始tile、生长tile和终止tile三种DX tile 结构变形；

（2）tile内部的链置换反应：输入激发链c-b-d，由起始tile发卡颈部末端的小支点触发的原位分支迁移过程启动，发卡结构被打开，单链c-b-a作为新的激发连，催化起始tile末端的又一个链置换反应，产生暴露的m-c-b单链，至此tile内部第一个链置换反应结束；

（3）tile外部的链置换反应：单链m-c-b作为催化剂，诱发起始tile和生长tile之间的外部链置换反应。

所述步骤（1）中起始tile、生长tile和终止tile在传统DX tile结构的基础上打开边缘链，带有互补的粘性末端，其中起始tile和终止tile分别仅有一个能被激活的结合位点，而生长tile有两个能被激活的结构位点。

所述起始tile、生长tile和终止tile中，不同DNA链的末端标记相应的荧光基团或淬灭基团。

所述检测方法的具体过程为：

（1）起始反应：自组装级联反应之初，荧光基团靠近淬灭基团导致荧光被淬灭基团吸收，系统没有荧光发出；

（2）反应进行：当发卡二级结构被破坏，暴露出的荧光基团将会发出不同波长的荧光，整个过程，通过监测波长来判断反应的起始和进行。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明进一步优化了tile结构并设计了三种变形的DX tile结构，增加了cross over的稳定链长度，使其稳定性提高，分别命名为起始tile(ST)，生长tile(ET)和终止tile(TT)，这些变形的DX tile在传统DX tile结构基础上，打开边缘连，带有互补的粘性末端，既用于支持链置换反应的进行，又作为整个结构的基底，参与线性二维结构的自组装。ST和TT分别仅有一个能被激活的结合位点，而ET有两个，作为结构基底，这些DX tile决定了最终产物为线性结构，但是DX tile中的支持链有助于形成类似于火车车厢一样的双层结构；

（2）本发明在DNA链的末端锚定了荧光基团和淬灭基团，反应最初，由于荧光基团与淬灭基团相互靠近，抑制了荧光的发散，而后，随着反应的进行，荧光基团空间上远离淬灭基团，不同波长的荧光便可依次被检测到，直到有三种荧光的吸收峰，此时，级联反应结束，终产物形成，通过荧光光度计对不同时刻反应物荧光波峰的分析，便可表征信号的响应过程，实现自组装反应的监测；

（3）使用稳定的DX tile结构作为模型去设计变形的DX tile，结合静态结构自组装技术和动态链置换技术，本发明设计了一个能实现信号监测与相应的级联反应系统，接下来本发明将继续设计和优化DNA序列，根据理论仿真结果用实验证实该设计。此外该设计可用于搭建逻辑电路，将生化信号转化为电学信号，以信号来模拟设计逻辑电路，实现数学运算，增加信号监测与相应的实用性。

附图说明

图1为DX tile结构三种变型的示意图，其中a为三种变形的DX tile结构，b为最终产物的结构图，矩形表示tile的基底，线条表示相应的DNA链，箭头表示3’端，梯形表示碱基对，白色圆点表示荧光基团，黑色圆点表示淬灭基团。

图2为DXtile变型的结构细节图，其中小支点用不同的颜色标注，箭头表示3’端。

图3为DSD软件模拟链置换反应可行性验证图。

图4为传统的DX tile结构。

具体实施方式

在tile的DNA链的末端标记着荧光基团或淬灭基团，分别具有不同波长的发射光和吸收光，用于信号的检测和响应。理论上，反应的最终结果是一个线性二维结构，该结构能够发射不同波长的荧光。要证实级联反应的最终结果需要两个方法，一是通过原子力显微镜观察类似于火车车厢似的线性结构，长度可控，二是用荧光分光光度计分析到三个不同峰值的吸收峰。由于本文设计的三种DX tile并没有改变传统DX tile的主要结构如图4所示，其中c为a的结构简示图，d为b的结构简示图。因此这些DX tile结构具有一定的稳定性，同时本发明通过DSD软件分析了链置换反应的可行性，且序列的互补性由NUPACK仿真。

1、级联反应设计

DX tile由于在内部增加了一个双螺旋交叉结构单元而使得其较之四臂结刚性大大增加，模块结构更加稳定。先前的研究已经证实了DX tile结构的稳定性和可控性，它被广泛地用作结构元件构建出许多复杂的、不能通过一步退火法直接构建的三维结构。Seeman教授曾使用DX tile 并粘附生物大分子实现信号传导功能，并通过荧光标记的非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳分析出tile自组装的相继反应过程，并通过原子力显微镜观察到了最预期产物结构。

与先前研究不同的是：

（1）本发明进一步优化了tile结构并设计了三种变形的DX tile结构，如图1所示，分别命名为ST, ET 和TT，这些变形的DX tile在传统DX tile结构基础上，打开边缘连，带有互补的粘性末端，既用于支持链置换反应的进行，又作为整个结构的基底，参与线性二维结构的自组装。ST和TT分别仅有一个能被激活的结合位点，而ET有两个，作为结构基底，这些DX tile决定了最终产物为线性结构，但是DX tile中的支持链有助于形成类似于火车车厢一样的双层结构；

（2）本发明在DNA链的末端锚定了荧光基团和淬灭基团，反应最初，由于荧光基团与淬灭基团相互靠近，抑制了荧光的发散，而后，随着反应的进行，荧光基团空间上远离淬灭基团，不同波长的荧光便可依次被检测到，直到有三种荧光的吸收峰，此时，级联反应结束，终产物形成，通过荧光光度计对不同时刻反应物荧光波峰的分析，便可表征信号的响应过程，实现自组装反应的级联反应具体实施过程。

2、级联反应具体实施过程

级联反应设计如图2所示。要实现级联反应，需要两步：第一是采用tile自组装方法构建上述三种变形的DX tile结构；第二是进行链置换反应。此处链置换反应分为tile的内部和外部。

（1）内部反应

由于ST中发卡结构的存在，当不存在激发链时，小支点未激活，整个级联反应处于沉默状态，一旦输入激发链c-b-d，由发卡颈部末端的小支点触发的原位分支迁移过程便开始了，然后发卡结构被打开。柔软的单链c-b-a作为新的激发链，催化ST末端又一个链置换反应，至此，tile内部第一个链置换反应结束。

（2）外部反应

暴露出的单链m-c-b作为催化剂诱发ST和ET之间的外部链置换反应。由于每一步都会暴露新的小支点作为下一步的激发链，因此自组装级联反应得以进行。反应过程中tile结构生长的驱动力来自于碱基对之间的范德华力。变形后的DX tile结构中，上部的DNA链被用于链置换反应的进行，而下部的DNA链则被作为基底，用于增强整个结构的稳定性。

本发明在不同DNA链的末端标记相应的荧光基团（如图2中的白色实点所示）或淬灭基团（如图2中的黑色实点所示）。要证实级联反应的最终结果需要两个方法，一是通过原子力显微镜观察类似于火车车厢似的线性结构，长度可控，二是用荧光分光光度计分析到三个不同峰值的吸收峰。由于本文设计的三种DX tile并没有改变传统DX tile的主要结构，因此这些DX tile结构具有一定的稳定性，同时本发明通过DSD软件分析了链置换反应的可行性，且序列的互补性由NUPACK仿真。

反应开始之前，荧光基团靠近淬灭基团导致荧光被淬灭基团吸收，系统没有荧光发出。随着反应的进行，发卡二级结构被破坏，暴露出的荧光基团将会发出不同波长的荧光，因此可以通过检测波长来判断反应的起始和进行，使用这种方法，便可以实现对自组装反应的监测。

三个变形的DX tile含有活性小支点，由于竞争性抑制作用，链置换反应的驱动力主要是碱基之间的氢键力。因此，当缺少激发链时，末端带有小支点的双链结构不能进行链置换反应。可以说整个级联反应是由激发链c-b-d的输入而引起的，它与发卡结构颈部的c*-b*-d*的结合力大于发卡结构自身的结合力，因此发卡结构趋向于打开，形成双链结构。仿真软件DSD的仿真结果也可以证实整个反应过程的顺序。

3、仿真结果

DSD软件的模拟结果表明了级联反应的理论可行性，从结果分析来看，在tile的DNA链的末端标记着荧光基团或淬灭基团，分别具有不同波长的发射光和吸收光，用于信号的检测和响应。理论上，反应的最终结果是一个线性二维结构，该结构能够发射不同波长的荧光。要证实级联反应的最终结果需要两个方法，一是通过原子力显微镜观察类似于火车车厢似的线性结构，长度可控，二是用荧光分光光度计分析到三个不同峰值的吸收峰。由于本文设计的三种DX tile并没有改变传统DX tile的主要结构，因此这些DX tile结构具有一定的稳定性，同时本发明通过DSD软件分析了链置换反应的可行性，且序列的互补性由NUPACK仿真。

当反应进行5个小时后，某些产物的产率达到了98%。随着级联反应的进行，次级产物的产量逐渐减少，但是链c-b的产量仍然达到了90%，这表明了链置换反应的可行性。

Claims (2)

1.一种自组装级联反应中的信号响应方法，其特征在于：所述信号响应方法的具体步骤如下：

（1）采用tile自组装方法构建起始tile、生长tile和终止tile三种DX tile 结构变形，三个变形的DX tile含有活性小支点，链置换反应的驱动力主要是碱基之间的氢键力，变形后的DX tile结构中上部的DNA链被用于链置换反应的进行，而下部的DNA链则被作为基底，参与线性二维结构的自组装；

（2）tile内部的链置换反应：由于起始tile中发卡结构的存在，当不存在激发链时，小支点未激活，整个级联反应处于沉默状态，输入激发链c-b-d，由起始tile发卡颈部末端的小支点触发的原位分支迁移过程启动，发卡结构被打开，单链c-b-a作为新的激发链，催化起始tile末端的又一个链置换反应，产生暴露的m-c-b单链，至此tile内部第一个链置换反应结束；

（3）tile外部的链置换反应：暴露的单链m-c-b作为催化剂，诱发起始tile和生长tile之间的外部链置换反应，每一步都会暴露新的小支点作为下一步的激发链，因此自组装级联反应得以进行；

所述步骤（1）中起始tile、生长tile和终止tile在传统DX tile结构的基础上打开边缘链，带有互补的粘性末端，其中起始tile和终止tile分别仅有一个能被激活的结合位点，而生长tile有两个能被激活的结合位点。

2.如权利要求1所述的自组装级联反应的信号响应的监测方法，其特征在于：所述起始tile、生长tile和终止tile中，DNA链的末端标记荧光基团或淬灭基团，荧光基团或淬灭基团分别具有不同波长的发射光和吸收光；

所述监测方法的具体过程为：

（1）起始反应：自组装级联反应之初，荧光基团靠近淬灭基团导致荧光被淬灭基团吸收，系统没有荧光发出；

（2）反应进行：当发卡二级结构被破坏，暴露出的荧光基团将会发出不同波长的荧光，整个过程，通过监测波长来判断反应的起始和进行。