生物大分子之間的靜電相互作用一般被認為是短程的。由於在生理條件高離子強度(百毫摩爾級)下,大分子表面存在雙電層遮罩,使靜電相互作用的傳導距離局限在1-2 nm內。如何調控雙電層厚度來對生物大分子相互作用中的長程靜電力開展研究是一個挑戰性問題。近年來,一些研究表明,DNA雙鏈的磷酸骨架可以作為高效的電荷傳導線路,為研究高離子強度下的長程靜電作用提供了新的思路。
受此啟發,上海交通大學樊春海院士團隊的劉小果副教授指導渠志倍博士等設計了基於DNA框架結構的長程靜電作用調控體系,構建了DNA雜交動力學的有效調控新方法。通過定量實驗和多尺度的分子動力學類比,證明了在DNA雜交的動力學過程中存在長程靜電力並起到了主導作用。該機制還被拓展到了DNA-蛋白質、DNA-多糖等多種複合物體系中,證明了其普適性。該工作以“DNA framework‐engineered long‐range electrostatic interactions for DNA hybridization reactions”為題,於2021年5月線上發表於AngewandteChemieInternationalEdition。渠志倍、張禕男為共同第一作者,劉小果為通訊作者。
不同淨電荷DNA四面體框架通過長程庫侖力調控DNA雙鏈雜交動力學
螢光能量共振轉移(FRET)模型用於定量追跡DNA雜交動力學反應過程
該工作將帶不同表面電荷的蛋白質顆粒或金納米粒子通過共價偶聯的管道包裹入DNA四面體框架結構中。進一步研究了淨電荷大小對四面體框架核酸上外延DNA單鏈的雜交動力學過程的影響,發現該體系可以實現對單鏈與互補鏈雜交反應速率的有效調控。該調控機制是通過四面體框架核酸淨電荷的斥力,影響外延DNA單鏈的伸展長度,產生差异化的互補鏈進攻比特阻,進而影響反應動力學過程。本工作發現了長程靜電作用力在超越短程反應介面範圍下的動力學調控機制,有助於加深對生物大分子複合物中長程作用力的理解,也對基因調控、核酸探針設計和DNA反應網絡的構建有潜在指導意義。
論文連結:https://doi.org/10.1002/anie.202106010
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