吳沛柯,溫燕勤,周 娟,張金脈,李曉柒,張 含,潘 敦,師詠勇,2

(1.上海交通大學(xué)Bio-X研究院,教育部發(fā)育和神經(jīng)精神疾病遺傳學(xué)重點實驗室,上海 200030;2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海精神衛(wèi)生中心 上海市精神疾病重點實驗室,上海 200030)

DNA自組裝技術(shù)(DNA納米技術(shù))是近幾年的研究熱點,其中的自組裝指的是基本結(jié)構(gòu)單元(如DNA)利用非共價鍵的作用而自發(fā)結(jié)合成有序結(jié)構(gòu)的過程[1]。DNA分子具有尺寸可控制,組裝操作簡易,成本低廉的獨特優(yōu)勢,這為納米技術(shù)的進一步發(fā)展提供了可能。生物學(xué)家Holliday在研究酵母細胞染色體同源重組過程中時,意外觀察到兩條同源染色體的雙鏈DNA間形成了十字交叉結(jié)構(gòu),經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)這是因為雙鏈DNA發(fā)生了部分鏈交換。而后“結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)”的開創(chuàng)者,美國科學(xué)家Seeman教授利用幾何學(xué)和計算學(xué)再次研究了Holliday結(jié)構(gòu)模型,發(fā)現(xiàn)Holliday結(jié)構(gòu)具有新的空間取向,并認為以其作為基本單元可以拼接成二維甚至三維的有序復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[2]。之后Seeman教授對這種結(jié)構(gòu)的再發(fā)現(xiàn)和利用標志著DNA自組裝技術(shù)的產(chǎn)生。經(jīng)歷了無數(shù)次嘗試后,Seeman教授最終在探索實驗中構(gòu)建了一系列DNA納米結(jié)構(gòu),如經(jīng)典的四臂結(jié)結(jié)構(gòu)[2]。有了Seeman教授開創(chuàng)性的研究成果[3],后續(xù)生物學(xué)家相繼設(shè)計構(gòu)建了由兩股雙螺旋并排而成,內(nèi)部具有交叉(crossover)結(jié)構(gòu)且更加穩(wěn)定堅固的DX結(jié)構(gòu),以及利用兩種tile(四臂結(jié)結(jié)構(gòu)單元)組裝出的條紋DNA平面網(wǎng)絡(luò)等,這為DNA納米材料的深入研究提供了多樣的模板[4-5]。

DNA自組裝實際上是熱力學(xué)驅(qū)動下的DNA分子互補鏈之間自發(fā)互補配對的動力學(xué)過程,依靠的是非共價鍵(如氫鍵、靜電作用等)。然而,如果想要使用tile構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu),大量的邊界條件和多種單元組件會使得DNA序列設(shè)計難度的上升和保真度的下降。2006年Rothemund開發(fā)了一種從未報道過的DNA自組裝技術(shù)——DNA折紙術(shù)[6],該技術(shù)的誕生標志著DNA納米技術(shù)新時代的來臨。DNA折紙術(shù)的基本原理是通過向一條長的DNA腳手架鏈上加入一系列經(jīng)過特殊設(shè)計的短的DNA片段(訂書釘鏈),依據(jù)堿基互補原則,可以構(gòu)建出各種各樣的納米二維三維結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)tile拼接自組裝技術(shù),DNA折紙術(shù)反應(yīng)條件更加簡易,退火時間通常少于2 h,同時具有高精準的可尋址性,該技術(shù)也可以組裝更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu),折紙產(chǎn)物很容易實現(xiàn)MDa級別分子量。2007年,Douglas實驗室[7]開創(chuàng)了DNA三維納米DNA結(jié)構(gòu)組裝的先河,首次成功運用DNA折紙術(shù)制備出了410 nm的六螺旋納米管,并通過對該tile長度和濃度的調(diào)整,構(gòu)建出了豐富的三維結(jié)構(gòu)。之后還有更為復(fù)雜的六面體、納米籠等結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。2009年,Douglas等[8]首次獲得蜂窩形狀的三維結(jié)構(gòu)單元,再通過分級組裝成更大尺寸,更為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。同年Dietz等[9]的弧線立體DNA納米結(jié)構(gòu)取得了成功。Han等[10]于2011年闡述了DNA折紙術(shù)用于構(gòu)造任意三維納米結(jié)構(gòu)的可能性,由于該三維結(jié)構(gòu)的腔體內(nèi)部可用于放置特定的藥物分子,這也為疾病的靶向治療提供了可能。

DNA折紙術(shù)為分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了前所未有的復(fù)雜性和納米級分辨率。DNA固有的納米尺度特性和分子識別特性使其有助于構(gòu)建各種復(fù)雜精細的納米結(jié)構(gòu),這也讓DNA在生物學(xué)[11]、醫(yī)學(xué)[12]、材料科學(xué)[13]和信息處理和存儲[14-15]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。有學(xué)者通過構(gòu)建5位納米開關(guān)操作系統(tǒng),實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的寫入、擦除和重寫的功能,并能實現(xiàn)“或”“與”邏輯門。由于DNA納米結(jié)構(gòu)的獨特優(yōu)良特性,目前已經(jīng)有大量研究通過DNA分子生化處理后完成相應(yīng)的計算操作,進而模擬數(shù)學(xué)運算過程對問題通過DNA反應(yīng)進行求解。然而對于DNA納米開關(guān)的研究以及在DNA納米開關(guān)上進行相應(yīng)操作的研究并不充分。如何實現(xiàn)DNA納米開關(guān)特定數(shù)據(jù)的輸入以及數(shù)據(jù)的連續(xù)輸入成為了研究熱點。本研究通過在骨架鏈中依次加入不同的數(shù)據(jù)鏈(訂書釘鏈),借助可以形成不同數(shù)目的環(huán)狀結(jié)構(gòu)來映射反應(yīng)的步驟,再通過凝膠電泳篩選出級聯(lián)反應(yīng)的具體步驟,進而可以證明此開關(guān)的級聯(lián)放大作用,具體過程如圖1所示。本研究所構(gòu)建的納米開關(guān)級聯(lián)反應(yīng)結(jié)構(gòu)將有望在數(shù)據(jù)存儲釋放方面有所應(yīng)用。

1 材料和方法

1.1 材料

噬菌體M13mp18單鏈DNA和BtsCⅠ反應(yīng)酶均購于New England Biolabs(NEB)公司,PEG購于上海Bioscience公司,寡核苷酸Oligos若干(骨架鏈,填充鏈,數(shù)據(jù)鏈,引發(fā)鏈,尋址鏈)以及BtsCI限制性片段互補寡核苷酸均由杰李公司合成(PAGE法純化),PBS購于GE生命科學(xué)HyClone公司,磁珠購于Invitrogen公司,MgCl2、瓊脂糖均購于Fisher Bio Reagents公司,TBE購于上海Bioscienc公司,gel red購于Biotium公司,MarkerⅣ和D15000 DNA Marker均購于上海天根生化科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 設(shè)計寡核苷酸序列

寡核苷酸的設(shè)計參考了文獻[16]的序列并采用NUPACK軟件進行結(jié)構(gòu)模擬和穩(wěn)定性驗證。DNA納米開關(guān)的制備也參考了文獻[16]的報道,這種納米開關(guān)具有能夠同時輸入多個數(shù)據(jù)鏈的特點,我們對此納米開關(guān)進行了改進以實現(xiàn)納米開關(guān)的級聯(lián)反應(yīng)。在本研究中,所采用的DNA納米開關(guān)是一段長的DNA二聚物,它包含了一條長的單鏈DNA支架(采用了M13病毒)和若干短的互補寡核苷酸鏈,而短的寡核苷酸將影響整個DNA納米結(jié)構(gòu)的形成以及納米開關(guān)的功能。本研究中短的寡核苷酸鏈中包含3條均勻分布的郵局鏈(post strand),可通過尋址鏈(address strand)替換,通過選擇不同的尋址鏈與數(shù)據(jù)鏈結(jié)合進而形成數(shù)量不同的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。尋址鏈核苷酸包含可以綁定到特定數(shù)據(jù)鏈(data strand)的單鏈延伸序列。同時本研究還創(chuàng)造性地設(shè)計了能夠與尋址鏈特異結(jié)合并含有toehold序列的引發(fā)鏈(trigger strand),通過數(shù)據(jù)鏈的加入可以釋放引發(fā)鏈進而引發(fā)級聯(lián)反應(yīng),具體反應(yīng)過程如圖1(c)所示。當加入數(shù)據(jù)鏈1后,數(shù)據(jù)鏈1與A0,A1互補配對,中間的骨架鏈而會形成環(huán)狀結(jié)構(gòu),同時會釋放引發(fā)鏈1,引發(fā)鏈1與A2,A3互補配對,A2,A3中間的骨架鏈形成環(huán)狀結(jié)構(gòu),同時釋放引發(fā)鏈2,最終納米開關(guān)會形成兩個環(huán)狀結(jié)構(gòu)。若只加入數(shù)據(jù)鏈2,數(shù)據(jù)鏈2可與A2,A3互補配對,A0,A1不成環(huán),A2,A3成環(huán),最終形成一個環(huán)狀結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)鏈2作用與引發(fā)鏈1一樣,即使得A2和A3形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。具體的寡核苷酸序列見表1(第437～439頁)。

表1 本文所用到的寡核苷酸序列Tab.1 Oligonucleotide sequences used in this study

(續(xù)表)

(續(xù)表)

圖1 納米開關(guān)的級聯(lián)反應(yīng)示意圖Fig.1 Sketch map of cascade reaction of nanoswitches

1.2.2 M13mp18噬菌體單鏈DNA的線性化

在PCR管(或96孔板)中加入5μL 100 nmol/L單鏈M13,再加入2.5μL 10×Cut Smart buffer,0.5μL 100μmol/LBtsCⅠ反應(yīng)酶(用于與BtsCⅠ酶配對的寡核苷酸序列為CTACTAATAGTAGTAGCATTAACA TCCAATAAATCATACA)和16μL去離子水,吹吸混勻后短暫離心,PCR儀加熱到95℃(30 s),儀器自然降溫到50℃溫度。退火完成后再加入1μLBtsCⅠ酶50℃孵育15 min,將混合物升溫至95℃1 min以滅活,最后快速降溫至4℃,通過電泳檢測線性化結(jié)果。

1.2.3 納米開關(guān)的構(gòu)建

在線性化后的20 nmol/L的M13鏈中加入至少10倍的骨架Oligos(提前將引發(fā)鏈與A1鏈混合)?；旌衔锿嘶?退火條件為從90℃到20℃并且每分鐘下降1℃。退火后的產(chǎn)物用聚乙二醇(Polyethylene Glycol,PEG)沉降純化或磁珠純化均可以除去多余的未配對的寡核苷酸鏈,配對結(jié)果通過電泳檢測。然后混合物在1×PBS中稀釋以達到下一步操作所要求的濃度范圍。

1.2.4 純化納米開關(guān)

為了去除會影響級聯(lián)反應(yīng)的寡核苷酸(引發(fā)鏈),本實驗需要在納米開關(guān)操作之前進行納米開關(guān)的純化操作,本實驗主要采用PEG沉淀去除過量低聚物[17]和磁珠純化這兩個方法進行純化。

1.2.5 納米開關(guān)的操作和數(shù)據(jù)輸入

將上述構(gòu)建好的純化過后的納米開關(guān)稀釋至400 pmol/L以下,并分為4份5μL的初始溶液,并將數(shù)據(jù)鏈寡核苷酸的最終濃度控制在2.5 nmol/L。第1組加入一定量的數(shù)據(jù)鏈1,第2組加入等量的數(shù)據(jù)鏈2,同時第3組在未加入引發(fā)鏈的納米開關(guān)中加入數(shù)據(jù)鏈1,第4組同時加入數(shù)據(jù)鏈1和2(總量與前三組相同)。所有樣品均放置在25℃孵育40 min。

1.2.6 納米開關(guān)操作結(jié)果的檢測與鑒定

參考文獻[16]的方法,樣品在0.8%瓊脂糖凝膠中電泳,條件為180 V(恒定電壓)室溫下。用1×gel red(Biotium公司)與凝膠溶液混合,對凝膠進行預(yù)染色。最后通過Bio-Rad Gel Doc XR+gel成像儀觀察膠圖,并對結(jié)果進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 M13線性化結(jié)果及納米開關(guān)的構(gòu)建

M13具有EcoRⅠ,SacⅠ和BamHⅠ等許多限制性酶切位點,參考之前文章[16]的報道,實驗最終選擇了限制性內(nèi)切酶BtsCⅠ的酶切位點進行切割。由于M13為環(huán)狀單鏈DNA,結(jié)合的上樣緩沖液染料較少且不夠牢固,故顏色較淺,當環(huán)狀DNA被切割成單鏈DNA后,與染料結(jié)合的能力不會有顯著提高,但是在瓊脂糖凝膠的遷移速率會有明顯的降低,此時可以通過電泳圖直觀地觀察。如圖2(a)(見第 440頁)所示,線性化后的M13遷移速率(泳道2)小于單鏈環(huán)狀DNA(泳道3,4)。圖2(b)(見第 440頁)展示了在線性化后的M13中加入骨架寡核苷酸后成功構(gòu)建了納米開關(guān)元件,泳道1為納米開關(guān)(M13mp18+Oligos)的條帶,泳道2為線性化M13條帶,由于納米開關(guān)為雙鏈結(jié)構(gòu),因而在電泳道上的遷移速率明顯低于線性化M13的遷移速率。

圖2 (a)M13的線性化和(b)納米開關(guān)的構(gòu)建電泳分析Fig.2 Electrophoretic analysis for(a)linearization of M13 and(b)construction of nanoswitches

2.2 納米開關(guān)的運行和數(shù)據(jù)輸入

為了驗證納米開關(guān)的運行和數(shù)據(jù)輸入的效果,我們在構(gòu)建好的納米開關(guān)上進行數(shù)據(jù)的輸入和檢測工作,在納米開關(guān)中加入不同數(shù)據(jù)鏈(實驗組1～4分別加入數(shù)據(jù)鏈1,數(shù)據(jù)鏈2,不含引發(fā)鏈(trigger-free)的數(shù)據(jù)鏈1,數(shù)據(jù)鏈1+2),結(jié)果如圖3(a)所示。在納米開關(guān)中加入數(shù)據(jù)鏈1之后會引發(fā)該開關(guān)的級聯(lián)反應(yīng)(泳道1),最終會形成兩個環(huán)狀結(jié)構(gòu),這與同時加入數(shù)據(jù)鏈1和數(shù)據(jù)鏈2的作用一致(圖3(a)泳道4)。圖3(a)中泳道1和泳道4的條帶均在7 500～15 000 bp之間,且大體在同一位置,從而驗證了該設(shè)想。在只有數(shù)據(jù)鏈2存在的條件下(圖3(a)泳道2),納米開關(guān)只能形成第二個環(huán),而在沒有引發(fā)鏈的條件下(圖3(a)泳道3)能且只能形成第一個環(huán),因此,實驗組2和實驗組3都只能形成一個環(huán),兩者電泳條帶位置相當,并且條帶位置低于實驗組1和4。線性化的M13,構(gòu)建好的納米開關(guān)以及輸入不同數(shù)據(jù)鏈后的納米開關(guān)完整電泳結(jié)果如圖3(b)所示。圖3(b)結(jié)果表明線性化的M13遷移速率(泳道5)＞納米開關(guān)(泳道4)的遷移速率＞加入數(shù)據(jù)鏈2的納米開關(guān)的遷移速率(泳道1)＞加入數(shù)據(jù)鏈1的遷移速率(泳道3)=加入數(shù)據(jù)鏈1和2(泳道2)的遷移速率。最終得出結(jié)論,單鏈結(jié)構(gòu)的遷移速率＞雙鏈結(jié)構(gòu)的遷移速率＞雙鏈上有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的速率,且環(huán)狀結(jié)構(gòu)越多,遷移速率越慢。

圖3 納米開關(guān)的(a)數(shù)據(jù)輸入和(b)運行的電泳分析Fig.3 Electrophoretic analysis for(a)data input and(b)the whole process of nanoswitch

3 討 論

本次實驗的設(shè)計主要參考了文獻[16]關(guān)于DNA納米結(jié)構(gòu)的可重寫記憶系統(tǒng)的實驗設(shè)計。在參考實驗基礎(chǔ)上本研究創(chuàng)造性地構(gòu)建了一種可以引發(fā)級聯(lián)反應(yīng)的新型納米開關(guān)結(jié)構(gòu),并且能夠通過電泳的方法快速簡便地檢測出結(jié)果。這種級聯(lián)反應(yīng)式的納米開關(guān)可以精確地控制納米結(jié)構(gòu)形成不同數(shù)目的環(huán)狀結(jié)構(gòu),根據(jù)堿基互補原則可以設(shè)計不同的開關(guān)序列(數(shù)據(jù)鏈)控制級聯(lián)反應(yīng)發(fā)生的位置和形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的數(shù)目。本實驗采用的電泳方法與其他的檢測方法相比(包括熒光共振能量轉(zhuǎn)移(Fluorescence Resonance Energy Transfer,FRET)、光學(xué)輸出、電化學(xué)檢測或原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)相比,電泳檢測更加簡單并且便宜,在實際應(yīng)用中可操作性更強。由于該電泳方法檢測時間短并且方法的操作難度較低,因此該方法適合于使用點檢測,特別是可以考慮到使用手持式無緩沖凝膠系統(tǒng)(如Invitrogen e-gel系統(tǒng))。

在我們所構(gòu)建的納米開關(guān)結(jié)構(gòu)中,除了用于本實驗簡單的級聯(lián)反應(yīng)之外,由于DNA經(jīng)過組裝后的結(jié)構(gòu)具有獨特的納米尺度,可尋址性和力學(xué)剛性,且物理化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢,使得本實驗構(gòu)建的納米開關(guān)結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)讀取與存儲、生物檢測以及藥物運輸?shù)确矫娑加袠O大的潛在應(yīng)用價值。

DNA納米開關(guān)級聯(lián)反應(yīng)的基本原理是,特定DNA序列結(jié)合DNA納米開關(guān)后,會引起DNA構(gòu)象變化。級聯(lián)反應(yīng)的不同狀態(tài)可以通過不同數(shù)量的環(huán)狀結(jié)構(gòu)得到體現(xiàn),并通過電泳圖進行展示。通過納米開關(guān)兩種不同狀態(tài)之間的環(huán)狀數(shù)量來報告特定數(shù)據(jù)鏈的識別。數(shù)據(jù)鏈1和數(shù)據(jù)鏈2的加入使得DNA納米開關(guān)在瓊脂糖凝膠上的遷移不同,表明它們在兩種可能狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)不同。在數(shù)據(jù)存儲方面,大多基于DNA的邏輯系統(tǒng)都是二進制的,因此也需要二進制輸入格式,針對DNA納米開關(guān)可通過不同的DNA鏈分別代表0和1。之前學(xué)者通過構(gòu)造納米開關(guān),實現(xiàn)了不同數(shù)據(jù)輸入的快速檢測[16]。本研究所構(gòu)造的納米開關(guān)可以規(guī)定特定的數(shù)據(jù)鏈分別代表0,1,通過對納米開關(guān)的操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速存儲和讀取。隨著以寡核苷酸為基礎(chǔ)的技術(shù)(如合成生物學(xué)中的生物傳感和調(diào)節(jié)系統(tǒng))的復(fù)雜性增加,此類系統(tǒng)的復(fù)雜性和多路輸出信息變得可以利用。在生物標志物檢測方面,本研究也有一定的實際應(yīng)用價值。例如,生物來源的兩個疾病標記物寡核苷酸輸入(分別代表數(shù)據(jù)鏈1和數(shù)據(jù)鏈2),可以通過制造能夠引發(fā)和不能引發(fā)級聯(lián)反應(yīng)的納米開關(guān)對標志物1(形成2個環(huán))和標志物2(形成1個環(huán))進行檢測。在藥物運輸方面,一方面由于DNA的無毒性,另一方面目前研究表明由于病毒顆粒和DNA折紙結(jié)構(gòu)具有極為相似的形態(tài),這使得DNA折紙構(gòu)造的結(jié)構(gòu)更易被細胞主動獲取[12]。同時DNA折紙結(jié)構(gòu)相較于簡單的線性單、雙鏈DNA具有更強的剛性和穩(wěn)定性,因而在生物體環(huán)境中可持續(xù)相對較長的時間不被降解,可以設(shè)計結(jié)構(gòu)來保護藥物分子,由于DNA折紙結(jié)構(gòu)還具有可尋址性,據(jù)此特性可以使藥物到達體內(nèi)的目標靶點后才被降解發(fā)揮作用。因而未來可以通過構(gòu)造設(shè)計特定的納米開關(guān)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)藥物的靶向運輸。例如通過在引發(fā)鏈上搭載藥物,通過引發(fā)鏈的尋址功能實現(xiàn)藥物的靶向運輸,實現(xiàn)藥物功能。

4 結(jié) 論

總之,本次研究已經(jīng)證明可以使用DNA納米開關(guān)以納摩爾水平的靈敏度有效地檢測不同數(shù)據(jù)鏈輸入下的納米開關(guān)級聯(lián)反應(yīng),通過不同數(shù)據(jù)鏈的輸入進行數(shù)據(jù)的存儲和讀取。這些納米開關(guān)可以為各種目標預(yù)先制作,并且可以作為混合讀取檢測分析的“智能試劑”。甚至有望可以從隨機寡核苷酸池中檢測到目標序列(特定的數(shù)據(jù)鏈),或從胎牛血清中檢測到目標序列,這可以說明其在生物傳感應(yīng)用中的潛在用途。這些DNA納米開關(guān)價格低廉,與傳統(tǒng)的復(fù)雜檢測手段相比,材料成本很低。由于電泳操作技術(shù)要求性不高,同時材料只需要普通的凝膠電泳材料,因此這項技術(shù)有望為許多研究人員所接受。針對本實驗所構(gòu)建的DNA納米結(jié)構(gòu),我們未來可以應(yīng)用該結(jié)構(gòu)于單倍體的精準分型之中,即先選取某一人類基因組DNA某一性狀易感基因的目標片段,在λ核酸外切酶作用下實現(xiàn)單鏈DNA模版的獲取,在根據(jù)該片段的SNP設(shè)計相應(yīng)的尋址鏈,通過將不同SNP整合到納米開關(guān)結(jié)構(gòu)之中,未來有望可以實現(xiàn)人類疾病基因的快速高效檢測。此外,我們的納米開關(guān)操作系統(tǒng)以核酸序列的分子識別為基礎(chǔ),通過整合適體或共軛體。記憶操作和簡單的決策可以通過生物輸入或輸出,這個內(nèi)存類型有望應(yīng)用于整合利用分子機器人技術(shù),特別是DNA折紙結(jié)構(gòu),將數(shù)據(jù)存儲或計算與傳感或驅(qū)動相結(jié)合。同時由于DNA特殊的生物學(xué)地位在,藥物靶向運輸和靶向治療方面也有著潛在的巨大應(yīng)用價值。已經(jīng)有許多關(guān)于利用DNA折紙術(shù)得到的結(jié)構(gòu)作為模板組裝功能納米材料或分子,能夠獲得光學(xué)、電磁學(xué)等性能可控的納米器件[18-20]或藥物載體[21-23]。