[发明专利]一种基于DNA茎环构象变换调控核酸纳米结构自组装的方法

说明书

本发明公开了一种基于DNA茎环构象变换调控核酸纳米结构自组装的方法，在粘性末端(toehold)区域与分支迁移区域之间插入一个可变构的茎环开关，当S‑ON状态时，该开关呈茎环结构，此时对toehold端与分支迁移端影响很小，可以顺利进行链置换反应，进而组装形成纳米结构；当加入抑制链时，环区域与其互补配对形成刚性的双链结构，此时开关变构为S‑OFF状态，将分支迁移端与toehold端“隔断”开来，抑制链置换反应的发生，无法进行下一步的组装。由于S‑ON与S‑OFF状态在反应体系中可以随意切换，因此可以实现恒温下对Y型核酸纳米结构自组装过程进行实时、灵活的调控，进一步扩大核酸纳米结构在生物传感、生物检测、药物输送、疾病治疗等领域的应用潜力。

技术领域

本发明属于DNA纳米技术领域，具体涉及一种基于DNA茎环构象变换调控核酸纳米结构自组装的方法。

背景技术

DNA分子不仅是生物体存储和传递遗传信息的载体，它还是制造纳米级构件和设备的通用原件。利用沃森克里克碱基互补配对的可预测性和可编程性，通过自下而上的方法构建具有良好的生物相容性和稳定性的核酸纳米结构，并在生物传感、生物检测、药物输送、疾病治疗等领域展现了重要的应用潜力。

DNA茎环是一种能进行构象变换的特殊结构：两端含有一段特定长度的茎，中间是一个环结构。在自由状态时茎干区特异性结合形成茎环结构，加入抑制链后与环互补配对形成刚性的双链结构，通过其构象的变换控制链置换反应，进而对恒温下的核酸纳米结构自组装进行精细的调控。

已存在的核酸纳米结构自组装主要还存在以下几个问题：I.结构形成方面，主要依赖于梯度变温的热退火，限制了其在生物体内的更广泛应用。II.动态调控方面，缺少模块化的开关对自组装过程进行更精细的调控，进而对其中的作用机制产生更深入的认识。因此，设计出模块化、高灵敏的分子开关用于在恒温下调控纳米结构自组装，将具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明利用茎环构象变换的特殊结构，结合粘性末端(toehold)介导的链置换反应，设计了一种模块化分子开关，并应用于在恒温条件下动态调控纳米结构自组装中。

本发明设计一种基于DNA茎环构象变换调控核酸纳米结构自组装的方法，其原理如图1所示，具体内容如下所述：

在粘性末端(toehold区域)与分支迁移区域之间插入一个可变构的茎环开关，当茎环开关处于S-ON状态时，该开关呈闭合状态，此时对toehold端与分支迁移端影响很小，链置换反应可以顺利进行；当加入抑制链时，环区域与其互补配对形成刚性的双链结构，此时开关变构为S-OFF状态，将分支迁移端与toehold端“隔断”开来，抑制链置换反应的发生，无法进行下一步的组装。由于茎环开关的S-ON与S-OFF状态在反应体系中可以随意切换，因此，实现了恒温下对Y型核酸纳米结构自组装过程进行实时、灵活的调控。

根据上述原理，本发明采用如下的技术方案：

(1)设计含茎环开关的DNA分子A、B、C、I链及抑制链和活化链的结构及序列，并应用于调控Y型纳米结构的组装，构建反应路径图。

(2)按照步骤(1)设计好的序列合成DNA分子A、B、C、I链及抑制链和活化链后，并分别溶解在缓冲溶液中；然后取A链与抑制链混合得到A-OFF链；最后将A-OFF、B、C、I链混合，通过加入活化链控制A链分子内的茎环开关的闭合进而调控Y型纳米结构自组装，然后对组装结果进行表征。

本发明中，所述A链为：a-S-x-b-y-z*-c*-y*-b*-x_a*

GTCTGTGAT-GCACGCC TTATTATTATCTCTT GGCGTGC

-GATGTT-AGGGAG-TAGTGC-TCCAAT-CACAAC-GCACTA-CTCCCT-AA(SEQ ID NO.1)