亚利桑那州立大学通过模型驱动实验实现DNA折纸反向设计

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关键词：

来源：

Science

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来源地址：

https://doi.org/10.1126/science.adl5549

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2024-05-17

摘要：

2024年5月17日，亚利桑那州立大学生物设计研究所分子科学学院和分子设计与仿生学中心Petr Šulc课题组在Science发表题为：“Inverse design of a pyrochlore lattice of DNA origami through model-driven experiments”的研究论文。文章介绍了一种通过模型驱动实验逆向设计DNA折纸组装成焦绿石晶格的新方法。研究团队结合了SAT组装算法（一种基于约束优化的多面粒子交互设计算法）和DNA纳米技术的粗粒化模拟，实现了无需陷入动力学陷阱的自组装路径。他们使用这种方法成功组装了焦绿石三维晶格，这是一种因其在构建光学超材料中的潜力而备受追捧的结构，并利用小角X射线散射和扫描电子显微镜成像对其进行了表征。研究中面临的挑战包括避免亚稳态竞争、动力学陷阱阻碍组装、低聚合率减慢过程，以及缺乏对构建块底层相行为的了解，尤其是对于多组分混合物。实验上，必须合成适当的构建块，并考虑它们的尺寸、交互多分散性以及它们的机械和分子属性，如柔软性和灵活性，这些都可能以理论建模难以考虑的方式影响自组装。为了克服这些问题，研究团队提出了一种新的基于多面粒子的建模驱动设计流程。多面粒子是具有各向异性表面化学导向键合或具有各向异性形状导向组装的微米或纳米级胶体。实验合成的能够形成可寻址方向键合以自组装的胶体粒子，可以被建模为多面粒子进行计算研究。研究团队展示了他们的方法，通过优化方法与多尺度模拟相结合，积极塑造了DNA折纸的设计，实现了目标结构的自组装。他们以焦绿石晶格为测试案例，这种晶格迄今为止尚未通过自组装成功实现。焦绿石晶格应具有全向光子带隙，既宽泛又对晶格缺陷具有鲁棒性。然而，自上而下的制造方法，如光刻，在制造与可见光波长相关的三维结构时面临实际限制。研究团队开发了一种多尺度方法来设计DNA纳米粒子，并在硅藻土模型中测试它们组装成焦绿石晶格。他们使用了SAT组装方法，将逆向设计问题映射到布尔可满足性问题上。首先，他们使用该方法进行交互设计，包括正面约束（确保交互可以满足期望晶格中的键合）和负面约束（排除形成竞争结构）。然后，他们基于粗粒化多面粒子模型数值研究了组装过程。每个纳米粒子被表示为一个带有彩色交互位点的球体，只有兼容的颜色才能形成键合。颜色代表单链DNA序列，兼容的颜色对应于互补序列。通过多尺度建模和优化算法，研究团队设计了能够自组装成焦绿石晶格的DNA纳米结构。他们还展示了该方法的多功能性，使用了两种不同的DNA折纸线框纳米结构设计（二十面体和八面体形状），并证明了它们都能自组装成焦绿石超晶格。这种反向设计方法为DNA纳米技术的应用以及纳米结构的精确控制提供了新的思路和工具