Anal. Chem.| 用于癌癥邏輯識(shí)別、立足點(diǎn)解體、視覺雙重診斷和協(xié)同治療的ssDNA框架納米機(jī)器人的計(jì)算輔助設(shè)計(jì)

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隨著DNA納米材料的發(fā)展，DNA納米機(jī)器人在基于分子觸發(fā)反應(yīng)的智能藥物遞送方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。作為納米技術(shù)的一項(xiàng)突破，三維(3D) DNA納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有可控制的尺寸、不同的形狀和空間尋址能力。然而，目前的應(yīng)用主要集中在雙鏈DNA (dsDNA)的“肩并肩”配置方式，以堿基為“磚塊”。它們的應(yīng)用主要集中在納米結(jié)構(gòu)外的末端修飾。這通常會(huì)忽略堿基序列上的生物信息，限制了核酸堿基的生物學(xué)用途。因此，DNA納米結(jié)構(gòu)的可修改性和立足點(diǎn)動(dòng)力學(xué)將在一定程度上阻礙DNA納米結(jié)構(gòu)的生物應(yīng)用因此，需要一種具有改進(jìn)可變性、堿基利用和立足點(diǎn)動(dòng)力學(xué)的替代DNA納米結(jié)構(gòu)。

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近日，北京師范大學(xué)那娜教授團(tuán)隊(duì)在analytical chemistry期刊上發(fā)表題為“Computation-Assisted Design of ssDNA Framework Nanorobots for Cancer Logical Recognition, Toehold Disintegration, Visual Dual-Diagnosis, and Synergistic Therapy”的研究論文，

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c04916

該研究發(fā)布了一種新型單鏈DNA新型組裝的DNA Robort，設(shè)計(jì)了穩(wěn)定的五面體ssDNA骨架納米機(jī)器人(ssDNA納米機(jī)器人)。在兩個(gè)功能siRNA (S1和S2)的輔助下，兩條ssDNA鏈成功組裝成ssDNA納米機(jī)器人，包括5個(gè)功能模塊(骨架固定、腫瘤細(xì)胞膜蛋白邏輯雙識(shí)別、酶加載、雙miRNA檢測和協(xié)同siRNA裝載，可用于多種應(yīng)用。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，ssDNA納米機(jī)器人具有穩(wěn)定性、靈活性、高利用率和低折疊誤差。此后，ssDNA納米機(jī)器人被成功應(yīng)用于邏輯雙識(shí)別靶向、高效和癌癥選擇性內(nèi)化、可視化雙檢測miRNA、選擇性siRNA傳遞和協(xié)同基因沉默。這項(xiàng)工作為構(gòu)建靈活、多功能的ssDNA框架提供了計(jì)算途徑，擴(kuò)大了核酸納米結(jié)構(gòu)的生物學(xué)應(yīng)用。

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方案設(shè)計(jì)：D1和D2的中間區(qū)域相互補(bǔ)充，以dsDNA模式獲得五面體骨架固定模塊(I)(紅色)。另外，D1和D2的兩端用splint R ligases連接，形成兩個(gè)閉合的ssDNA (D1形成BAPB '側(cè)，D2形成CAPC '側(cè)，圖1A)。其中，D1和D2的黑色部分(圖1A)分別被設(shè)計(jì)用來補(bǔ)充S1和S2的伸出端。這將有助于縮短BAPB '和CAPC '之間的距離。從而形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的右側(cè)(PB ' C ')、底部(ABC)和傾斜側(cè)(BB ' C ' C)，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的五面體ssDNA納米機(jī)器人。因此，在兩個(gè)siRNA (S1和S2)的輔助下，設(shè)計(jì)了兩條ssDNA鏈，組裝成以ssDNA為主要成分的ssDNA納米機(jī)器人。

同時(shí)，為了保證CEM細(xì)胞的邏輯識(shí)別，在D1和D2中間選取sgc8c和sgc4f12適配體作為模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，設(shè)計(jì)了細(xì)胞膜蛋白邏輯雙識(shí)別模塊(II)(紫色部分)。隨后，phi29 DNA聚合酶被加載到綠色區(qū)域，通過經(jīng)典的SMCC策略通過與短硫代ssdna相互作用實(shí)現(xiàn)酶加載(III)。值得注意的是，BB '和CC '的閉合曲線被設(shè)計(jì)為雙靶向miRNA檢測模塊(IV)。此外，由于人表皮生長因子受體2 (HER2) sirna和血管內(nèi)皮生長因子(VEGF) sirna對(duì)VEGF的協(xié)同沉默作用，將它們裝載到ssDNA納米機(jī)器人上。如圖1A所示，兩個(gè)siRNA (S1: VEGF siRNA, S2: HER2 siRNA)固定在BC和B ' C '，實(shí)現(xiàn)協(xié)同siRNA加載(V)。注意S1和S2不僅固定了五面體結(jié)構(gòu)，而且還作為協(xié)同沉默試劑用于癌癥治療。

借助MD(molecular dynamics)模擬, 對(duì)方案設(shè)計(jì)的可行性驗(yàn)證。

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圖二對(duì)nanorobots的形態(tài)和化學(xué)特征進(jìn)行表征。

體內(nèi)應(yīng)用示意圖。同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙miRNA檢測，基因沉默。

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對(duì)該體系的膜蛋白識(shí)別策略進(jìn)行驗(yàn)證，通過檢測膜蛋白不同表達(dá)的細(xì)胞系進(jìn)行驗(yàn)證。

基因沉默對(duì)活體的治療效果。

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在MD模擬的輔助下，通過自組裝，簡單地制備了具有多個(gè)模塊的ssDNA框架納米機(jī)器人。該方法突破了ssDNA納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，賦予納米機(jī)器人較高的組裝效率和堿基利用率。ssDNA納米機(jī)器人具有極佳的組裝靈活性，設(shè)計(jì)了5個(gè)功能模塊，可用于多種應(yīng)用。成功實(shí)現(xiàn)了腫瘤特殊邏輯識(shí)別與內(nèi)化、簡單立足點(diǎn)崩解、敏感視覺雙重診斷、選擇性給藥、協(xié)同基因沉默等治療。這一策略以智能計(jì)算的方式拓寬并開啟了DNA納米結(jié)構(gòu)的生物學(xué)應(yīng)用。值得注意的是，ssDNA框架的結(jié)構(gòu)不能表現(xiàn)出像dsDNA那樣嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)，這可能會(huì)以一種更靈活的方式啟動(dòng)生物應(yīng)用。此外，考慮到現(xiàn)有的ssDNA框架中仍包含部分dsDNA，因此值得進(jìn)一步研究ssDNA框架的設(shè)計(jì)。

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編輯：王本初

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