利用空腔可调的框架核酸构建DNA分子筛用于尺寸选择性分子识别

近日，本团队报道了一种DNA分子筛，进一步提高了功能核酸在生物传感应用方面的选择性和精准性。该工作是在张晓兵教授带领下，团队成员柯国梁老师协助指导博士生付晓艺（第一作者）等人完成的，这一成果近期发表在 Nature Communications上。

一直以来，基于核酸和蛋白等分子识别工具的生物传感器在生物医学研究和临床诊断中起着至关重要的作用。检测的选择性是生物传感器中的一个十分重要的参数，目前生物传感器的选择性一般基于几个原则：碱基互补配对（例如核酸）、亲和相互作用（例如抗体、适配体）等。虽然这些方法取了一定的进展，但却难以实现对靶标及其类似物（如核酸序列）过于相似情况下的检测。例如，现有许多细胞内的microRNA生物传感器是基于microRNA的序列互补，但由于成熟体microRNA的序列也存在于前驱体pre-miRNA中, 所以成熟microRNA的检测受到了前驱体的影响。

   在催化科学中，一个重要例子便是分子筛孔中的尺寸选择催化（或形状选择催化）。分子筛是天然或合成的沸石材料，具有精确而均匀的孔。活性催化位点一般被封装至与目标直径小分子底物直径相似的分子筛的内腔中，因此，较大的分子被禁止与内部的活性催化位点接触，而较小的目标分子则能进入孔中参与化学反应（图1a）。分子筛的选择性催化不仅能够提高催化的选择性和效率，还能保护催化剂部位不受催化剂中毒的影响。

  框架核酸所包含的DNA纳米结构是基于高度可预测性的Watson-Crick 碱基互补配对所组装而成，具备较高的可控性和纳米精度。通过对其大小、形状和结合位点的可编程性和精确性控制，能实现框架核酸对客体分子精准且位点特异性功能化。此外，框架核酸也能在一定程度上保护其封装的“货物”。然而，基于尺寸选择性识别的框架核酸在生物传感领域的应用尚未见报道。

  该团队受到传统分子筛尺寸选择性催化的启发，利用DNA框架核酸优势，将功能核酸探针（DNAzyme、aptamer、分子信标）位点特异性地封装在空腔可调的DNA 纳米笼中（图1b），此策略被称为“CONFINED”（cavity of DNA nanocage framework for inner encapsulation design）。在此策略中，DNA纳米笼能够阻挡大分子（例如核酸，蛋白和其他大的核酸类似物）与空腔内的探针作用，而小尺寸靶标物能够进入笼中实现分子识别。最终，CONFINED不仅能够保护识别位点，防止功能核酸探针被核酸酶降解以及非特异性蛋白吸附，还可以精确地调节框架核酸的空腔实现靶标分子及其类似物的区分。更为重要的是，CONFINED基于尺寸筛选的原理实现了细胞内成熟microRNA精准检测，降低了其更长序列前驱体pre-microRNA的检测干扰。基于以上特点，DNA分子筛以更精准地方式实现功能核酸的尺寸选择性和精确传感。同时，它为生物医学研究和临床诊断中的尺寸选择性分子识别提供了一个蓝图。

图1 传统分子筛；DNA分子筛示意图

论文信息

Size-selective Molecular Recognition based on a Confined DNA Molecular Sieve using Cavity-tunable Framework Nucleic Acids

Xiaoyi Fu, Guoliang Ke, Fangqi Peng, Xue Hu, Jiaqi Li, Yuyan Shi, Gezhi Kong, Xiaobing Zhang* and Weihong Tan. Doi: 10.1038/s41467-020-15297-7.