基因分子设计方案[基因分析实验]

　　导读

　　日前，上海交通大学青年千人宋杰与美国科学家合作成功构建新型可变DNA纳米结构，在纳米尺度下实现类似于“多米诺骨牌”可编程控制的长距离信息传递和调控。

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　　日前，上海交通大学青年千人宋杰研究员与美国科学家合作通过构建新型可变DNA纳米结构，在纳米尺度下实现类似于“多米诺骨牌”可编程控制的长距离信息传递和调控。该文章发表在《science》期刊上。

图1：DNA结构设计及其分子信息传递方式

　　纳米尺度上的信息传递是很多化学反应过程（如催化）和生命科学领域（如神经信号传导）中的重要现象，而当前研究的难点之一是如何构建人工纳米体系来模拟和探索其复杂的动态过程。

　　利用DNA分子来构建相关的分子结构被证明是一个极为可行的方式。DNA分子由于其独特的双螺旋结构，不仅承载了几乎所有生物的遗传信息，也因其精确的互补配对能力、序列的可编程性、结构的多样性和独特的机械学性质成为构建分子机器的优越材料。通过适当的序列设计和条件控制（如链交换、环境刺激等），可以人为地控制DNA的结构变化及构想间的可控转化，进而利用DNA的可定位特性，修饰结合其他功能材料，实现纳米尺度的可控运动或特殊功能的精确变化。

　　然而当前针对可变DNA结构设计中的基本问题还尚未有突破性的进展，其本质原因还是对其中间态变化过程的研究不多，尤其是设计和构建可控中间态信息传递的研究甚少。

图2：各种“砖块”式DNA 结构的设计与合成

　　本研究基于可自由变化的四臂DNA单元（anti-junction），通过有序排列将DNA单元组装成2D或者3D的阵列，得到一种全新的可变DNA结构，如图2。由于每个构成单元都是可以自由变化的，进而通过触发某个特定位置的构象变化，能够产生级联反应，类似于“多米诺（Domino）骨牌”效应，实现长距离的信息传输和递送，如图3。同时，该可变DNA结构也能够可编程化地研究各中间态的转换过程，如图4。这种新型可变DNA纳米结构能够为化学反应的中间态研究以及生命活动中分子信号调控提供有力的研究工具。

图3：DNA结构上的分子信息实时传递

　　该论文的第一作者、共同通讯作者宋杰， 为上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器科学与工程系特别研究员, 在纳米所生物医学工程研究所工作；该成果是与美国埃默里大学（Emory University）Ke团队及（美国）普渡大学（Purdue University）Mao团队紧密合作的结果。该工作也得到了国家自然基金委的资助。

图4：DNA结构上的可控信息递送

　　论文信息：

　　Reconfiguration of DNA molecular arrays driven byinformation relay，Jie Song*,?, Zhe Li,*, Pengfei Wang,*, Travis Meyer, Chengde Mao?, Yonggang Ke?, Science 22 Jun 2017: DOI: 10.1126/science.aan3377

　　论文链接： https://science.sciencemag.org/content/early/2017/06/21/science.aan3377?rss=1

　　课题组介绍：

　　宋杰，第十二批中组部青年千人，上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器科学与工程系特别研究员，在纳米生物医学工程研究所工作。于2009年兰州大学物理专业本科毕业，2014年获得丹麦奥胡斯大学生物物理方向博士学位。之后在丹麦奥胡斯大学和美国埃默里大学从事为期博士后研究。 至今，已发表文章30余篇，其中包括 Science，Nature, Nature Nano, Nature Chemistry, Nature Communication, PNAS, JACS等国际顶级期刊，现主持科技部重点专项课题，中组部青千计划，国家自然基金等项目。课题组现在主要的研究方向是高分辨AFM动态成像，单细胞操纵， DNA纳米技术在生物医学方向的应用，以及智能诊疗仪器的开发。详情见主页：https://www.ie.sjtu.edu.cn/Data/View/218 。 欢迎有研究兴趣的学生、博士后或者研究者加入实验室参与课题研究；本课题组招收具有物理、化学、生物、材料以及医学相关的研究生和博士生，有意可邮件至sjie(at)sjtu.edu.cn 。

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