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Science:上海交大宋杰研究组发表纳米尺度信息传递研究论文

摘要 : 2017年6月22日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志上在线发表了美国埃默里大学Yonggang Ke团队、美国普渡大学Chengde Mao团队和上海交通大学宋杰研究组的一篇研究论文

2017年6月22日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志上在线发表了美国埃默里大学Yonggang Ke团队、美国普渡大学Chengde Mao团队和上海交通大学宋杰研究组的一篇研究论文,论文题为“Reconfiguration of DNA Molecular Arrays Driven by Information Relay”的论文。研究人员通过构建新型可变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。

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。

该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。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。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。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。

原文链接:

Reconfiguration of DNA Molecular Arrays Driven by Information Relay

原文摘要:

Information relay at the molecular level is an essential phenomenon in numerous chemical and biological processes, such as intricate signaling cascades. One key challenge in synthetic molecular self-assembly is to construct artificial structures that imitate these complex behaviors in controllable systems. We demonstrated prescribed, long-range information relay in an artificial molecular array assembled from modular DNA structural units. The dynamic DNA molecular array exhibits transformations with programmable initiation, propagation, and regulation. The transformation of the array can be initiated at selected units and then propagated, without addition of extra triggers, to neighboring units and eventually the entire array. The specific information pathways by which this transformation occurs can be controlled by altering the design of individual units and the arrays.

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