[发明专利]涉及核酸纳米和微米技术的组合物和方法

说明书

发明背景

涉及核酸纳米结构（或微米结构）合成的先前工作涉及“DNA折纸”方法，其中长度几千碱基的天然存在“支架”DNA通过使用多条辅助链折叠成结构，所述辅助链各自与支架DNA的两个、三个或更多个非邻接区杂交。此类折叠方法部分受限于获得除了目前使用中那种（即长度约7千碱基的M13mp18病毒基因组DNA）外的支架的能力。它们在其通用性方面受限，因为每个核酸结构需要辅助链的特异性设计和设置，以便生成支架DNA的必需折叠。

更加早期的工作涉及核酸“瓦（tile）”单体的使用，所述核酸“瓦”单体各自由多至5个单链寡核苷酸构成，具有相对刚性的核心结构和与其他单体杂交的侧翼序列，以便形成核酸结构。使用这些瓦单体产生的最复杂的结构是4乘4平方结构。

更近期的工作涉及相同单链寡核苷酸子集的使用，以形成特定周长的DNA管。这个工作受限于其仅形成少数类型结构即丝带和管的能力。此外，基于用于生成结构的单链寡核苷酸的性质，最终用户不能对此类结构的大小施加很多控制。

发明概述

本发明提供了用于制备具有已知和预定的并因此受控的大小、形状和复杂性的核酸结构的新型方法，以及核酸结构自身。本发明的核酸结构通过使多个单链寡核苷酸以序列特异性方式彼此结合进行制备。核酸结构和单链寡核苷酸如此设计，使得每个结构中的每个寡核苷酸的位置是已知的，并且因此使得在结构中的每个位置处的核苷酸序列是已知的。了解在结构中的每个寡核苷酸的位置和因此每个位置处的核苷酸序列的能力促进以限定和受控的方式的结构修饰。本发明还提供了多种核酸结构，所述核酸结构就大小、形状和/或复杂性而言是基本上单分散的。多种核酸结构的成员还可以就每个结构内的寡核苷酸定位而言彼此是相同的，允许以相同方式修饰多种核酸结构。多种结构因此可以表征为就修饰而言也是单分散的。如本文描述的，这种方法的通用性至少部分通过使用来自310寡核苷酸库的子集，使用“一锅式（one-pot）”退火反应生成至少107个不同形状的核酸结构的能力得到证实。

本发明的特定核酸结构由具有交叉或半交叉或其一些组合的平行双螺旋组成。一般地，多个单链寡核苷酸退火以在结构中形成双螺旋。

核酸结构中的每个寡核苷酸可以是独特的（即，它可以仅在每个结构中出现一次），或它可以出现一次、两次、三次或甚至更频率出现。本发明考虑了具有一个或多个独特寡核苷酸的核酸结构。在一些情况下，促成双螺旋的至少一个寡核苷酸是独特的。在一些情况下，结构中的至少一个双螺旋包含在该螺旋或整体结构中不同于所有其他寡核苷酸的寡核苷酸。

本发明还提供了用于生成核酸结构的单链寡核苷酸。提供了不同的多个单链寡核苷酸，其中所述多个的性质和组成取决于所需结构的设计，包括形状、大小和复杂性。如本文更详细地解释的，所述多个一般包含2结构域和4结构域寡核苷酸。

本发明考虑了在性质上是模块的单链寡核苷酸和核酸结构。本发明的方法允许通过包括和/或排除已知寡核苷酸子集制备多种形状的核酸结构。该方法还考虑了例如通过使此类结构基于序列特异性彼此退火，核酸结构彼此的模块装配。在这些实施方案的一些中，彼此退火的核酸结构可以共享共同形状（例如两者都可以是管，或两者都可以是网格）。该方法还考虑了通过使用接头使两种或更多种核酸结构彼此连接制备的复合核酸结构，所述接头可以对于核酸结构是整合的或不整合的。在这些实施方案中，彼此连接的核酸结构可以具有相同或不同形状。

本发明进一步考虑了通过在单个容器中组合多个已知单链寡核苷酸，并允许寡核苷酸以预定的方式在合适条件下自装配的核酸结构合成。类似地，两种或更多种核酸结构可以在单个容器中组合，且允许以预定的方式在合适条件下基于核苷酸序列互补性而自装配，从而形成更大的核酸结构。

因此，在一个方面，本发明提供了包含多个退火的寡核苷酸的核酸结构，每个寡核苷酸包含排列成至少两个平行双螺旋的至少两个结构域，其中至少一个双螺旋包含独特结构域。

在一些实施方案中，至少一个双螺旋包含2个或更多个独特结构域。在一些实施方案中，至少50%的双螺旋包含一个或多个独特结构域。在一些实施方案中，该结构包含至少5个、至少10个或至少20个平行双螺旋。