华中科技大学肖先金团队ACS Nano：精细调控DNA链置换反应和构建复杂DNA纳米装置的多功能Clip序列

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。

近日，华中科技大学肖先金团队开发了一种新型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，课题组进一步构建了基于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，课题组构建的 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。

这一成果近期发表在《ACS Nano》上，文章第一作者是华中科技大学学生刘理权，胡清漪和张温凯。华中科技大学肖先金教授是本文的唯一通讯作者。

肖先金教授课题组自2016年成立以来，在生物医学交叉领域已发表多篇论文，建立了坚实丰厚的理论和技术基础。肖先金教授本、硕、博均毕业于北京大学，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10余个项目，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

论文信息：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c01763# 

Liquan Liu, Qingyi Hu, Wenkai Zhang, Wenhao Li, Wei Zhang, Zhihao Ming, Longjie Li, Na Chen, Hongbo Wang, and Xianjin Xiao*. Multifunctional Clip Strand for the Regulation of DNA Strand Displacement and Construction of Complex DNA Nanodevices. ACS Nano, 2021, 10.1021/acsnano.1c01763.

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