DNA折纸：在3D中成像个体灵活的DNA构建块

在过去十年中，研究人员一直致力于通过称为“DNA折纸”的过程，使用DNA作为构建材料来创建纳米级材料和设备。

例如，单个长的“支架”DNA链可以通过数百个较短的链折叠成特定的形状。每条短链中碱基的顺序作为指示支架DNA最终的3-D形状的蓝图。

科学家们希望利用这种方法开发出能够用作纳米级机器或药物输送装置的分子装置，医学成像或生物研究的标记物以及电子设备的组件。

长DNA支架 - 由超过10,000个称为“核苷酸”的DNA结构单元组成 - 仍然难以制造和操纵，迄今为止限制了折纸结构的尺寸。已经证明难以研究这些纳米颗粒在其天然，柔性状态下的三维结构。

现在，来自劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和俄亥俄州立大学的一组研究人员首次从129个柔性DNA折纸粒子分子中生成了三维图像。他们的工作提供了DNA折纸理论模型的第一次实验验证。

这里使用的方法可以很容易地应用于其他类型的制作DNA折纸结构，并有助于为未来结构的设计和优化提供信息。他们的工作最近发表在Nature Communications上。

研究小组专注于以一种称为“Bennett连锁”的基本机制为模型的DNA结构，这是一种由铰链连接的四根杆链组成的三维结构。这产生了倾斜的四边形形状，其中铰链不平行或成直线。使用Bennett链接作为构建块，可以创建可扩展的有用结构，例如可以快速组装的帐篷支撑。

DNA折纸结构的研究非常具有挑战性，因为它们非常灵活和细腻，每个分子都具有独特的三维形状。这种可变性使得常规成像方法(如单粒子低温电子显微镜(cryo-EM))不太合适。Cryo-EM涉及从数千到数十万个类似分子的广泛计算机“平均”。结果，关于DNA折纸结构的柔性部分的信息可以容易地平均化，从而产生结构的不完整图像。

研究人员依靠伯克利实验室分子铸造厂开发的一种技术，这是一种纳米科学研究设施，可以对构成这些结构的各个分子进行成像。该方法称为单粒子电子断层扫描(IPET)，从多个视角拍摄目标分子的照片，然后将这些图片组合起来，创建一个三维全分子渲染，类似于医学计算机断层扫描(CT) )扫描工作。

研究人员捕获了129张3-D图像，分辨率为6到14纳米，这使他们能够梳理出有关DNA折纸结构的动态和灵活性的信息。

“这些重建确认了Bennett的联系具有高度的结构多样性，”分子铸造公司成像设施的研究员兼该研究的联合负责人Gang“Gary”Ren说。

对这些重建的几何分析表明，Bennett连锁机制的构象与理论模型非常吻合。当连杆接近其“打开”状态时，“铰链”几乎完全伸展。当结构更接近其“闭合”构造时，结构呈现出不同的形状并且非常柔韧和扭曲。

“根据这些结果和Bennett联系的模型可视化，我们可以提出一种新的策略来改善我们对大型DNA支架中Bennett连接的控制，”Ren说。“该方法包括重新设计关节附近的DNA序列，以加强结构并防止其在该关节附近扭曲。”