生物系統(tǒng)比較復(fù)雜。盡管DNA可能攜帶簡單的堿基對序列,，但是一旦它被轉(zhuǎn)錄為RNA和翻譯為蛋白,，這種簡單序列能夠產(chǎn)生眾多而且經(jīng)常難以預(yù)測的結(jié)果。為了對抗RNA和蛋白結(jié)構(gòu)的不可預(yù)測性，合成生物學(xué)家能夠奮力設(shè)計(jì)精確的生物系統(tǒng)以便實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo),。但是這一系統(tǒng)全部由DNA構(gòu)造而成將會(huì)是怎么樣,？
根據(jù)2012年1月11日在線發(fā)表在Journal of Royal Society Interface期刊上的一篇研究論文，美國杜克大學(xué)Harish Chandran和同事們利用DNA的簡單性和可預(yù)測性提岀模擬聚合酶或限制性內(nèi)切酶的可能的DNA納米結(jié)構(gòu)以便執(zhí)行許多種生物學(xué)過程,。
杜克大學(xué)設(shè)計(jì)DNA納米結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)工程師Chris Dwyer(未參與該項(xiàng)研究）說：“它在理論上完美地證實(shí)利用DNA結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一些重要反應(yīng)是可行的,。”
盡管人們利用DNA“折紙術(shù)(origami)”---一種構(gòu)建準(zhǔn)確折疊的DNA納米結(jié)構(gòu)的方法---通過準(zhǔn)確放置反應(yīng)成分來促進(jìn)酶促反應(yīng)，但是Chandran的研究是第一次試圖在這種系統(tǒng)中使用DNA作為酶,。這些模型利用DNA雙螺旋及其“渴望”保持扭曲的特性,。Chandran和他的研究小組構(gòu)建了元DNA(meta-DNA)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型，這些模型使用DNA片段作為構(gòu)建單元(building block)或者說構(gòu)建磚頭(building brick)創(chuàng)造出更大的但是行為表現(xiàn)仍然很像DNA鏈的東西,。
正如實(shí)際的堿基是DNA的基本單元,，元堿基(meta-base即DNA磚頭)是元DNA的基本單元。元堿基是從3條正常雙螺旋鏈設(shè)計(jì)岀來的,。每條鏈的末端與其他兩條鏈互補(bǔ),，這樣所有3條鏈將匹配為Chandran所描述的“三角星(three-prong star)”。這些三角星再通過互補(bǔ)的末端序列與其他三角星形成元DNA鏈,。研究人員補(bǔ)充道,，要構(gòu)建能夠起著類似酶作用的元DNA結(jié)構(gòu)，簡單地涉及將兩條不同長度的元DNA鏈結(jié)合在一起,，從而提供一個(gè)缺口給元DNA其他單鏈片段結(jié)合,。在合適條件下，新的元堿基開始結(jié)合到較長的元DNA鏈上,，從 而產(chǎn)生可能的“酶促”反應(yīng),，如DNA復(fù)制(非常像PCR反應(yīng)：在合適條件下，較短的引物DNA片段進(jìn)行延伸),。只要元DNA的一個(gè)元堿基內(nèi)元DNA鏈識(shí)別將被酶切的元DNA鏈上的序列,，人們也就可能設(shè)計(jì)出元DNA來模擬限制性內(nèi)切酶活性。
盡管研究人員尚沒有構(gòu)建岀這些基于DNA的酶促反應(yīng),，但是他們已開始構(gòu)建實(shí)際的元DNA結(jié)構(gòu),，而且Chandran對此也充滿自信：只要進(jìn)行一些仔細(xì)規(guī)劃，他們就能夠?qū)⑦@些原理變成現(xiàn)實(shí),。他想象有朝一日能夠創(chuàng)建出可以與活著的組織發(fā)生相互作用的整個(gè)元細(xì)胞(meta-cell),，這樣它們可能攜帶治療性藥用成分到細(xì)胞內(nèi)部。
完全由DNA構(gòu)建的系統(tǒng)理論上應(yīng)當(dāng)能夠消除RNA和蛋白的不必要的不可預(yù)測性,，而且長期而言使得合成生物學(xué)家更容易設(shè)計(jì)岀獨(dú)特的系統(tǒng),。Chandran說：“我們對我們的團(tuán)隊(duì)充滿強(qiáng)烈的信心：我們可能能夠僅使用DNA鏈創(chuàng)建原始的生命。”
Dwyer同意酶設(shè)計(jì)是一個(gè)“迄今為止尚未解決”的問題,，但是他指岀這種只用DNA構(gòu)建系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵性缺點(diǎn),。Dwyer解釋道,，在這點(diǎn)上，“它實(shí)際上僅僅適用于其他元DNA構(gòu)造物”,。為了使得元DNA變得真正有用,，它將需要能夠與蛋白發(fā)生作用。元DNA也可能比正常的蛋白酶更加慢地發(fā)生反應(yīng),，這一點(diǎn)Chandran也承認(rèn),。
并不是每個(gè)人在第一時(shí)間就看岀只用DNA構(gòu)建的系統(tǒng)的需要。蘇格蘭圣安德魯斯大學(xué)系統(tǒng)化學(xué)家Douglas Philp盡管稱贊這項(xiàng)研究“精巧”,，但是他并不覺得RNA和蛋白需要替換,。 Philp說：“蛋白發(fā)揮酶的作用，RNA能夠攜帶信息和催化反應(yīng),，而DNA攜帶信息,。DNA非常適合攜帶信息，因?yàn)樗浅７€(wěn)定”,，不過正是蛋白結(jié)構(gòu)的異常復(fù)雜性才有助于酶非常好地發(fā)揮作用,。他注意到DNA只傾向于形成雙螺旋可能實(shí)際上限制了它的應(yīng)用。(生物谷：towersimper編譯)
doi:10.1098/rsif.2011.0819
PMC:
PMID:
Meta-DNA: synthetic biology via DNA nanostructures and hybridization reactions
Harish Chandran, Nikhil Gopalkrishnan, Bernard Yurke and John Reif
Can a wide range of complex biochemical behaviour arise from repeated applications of a highly reduced class of interactions? In particular, can the range of DNA manipulations achieved by protein enzymes be simulated via simple DNA hybridization chemistry? In this work, we develop a biochemical system which we call meta-DNA (abbreviated as mDNA), based on strands of DNA as the only component molecules. Various enzymatic manipulations of these mDNA molecules are simulated via toehold-mediated DNA strand displacement reactions. We provide a formal model to describe the required properties and operations of our mDNA, and show that our proposed DNA nanostructures and hybridization reactions provide these properties and functionality. Our meta-nucleotides are designed to form flexible linear assemblies (single-stranded mDNA (ssmDNA)) analogous to single-stranded DNA. We describe various isothermal hybridization reactions that manipulate our mDNA in powerful ways analogous to DNA–DNA reactions and the action of various enzymes on DNA. These operations on mDNA include (i) hybridization of ssmDNA into a double-stranded mDNA (dsmDNA) and heat denaturation of a dsmDNA into its component ssmDNA, (ii) strand displacement of one ssmDNA by another, (iii) restriction cuts on the backbones of ssmDNA and dsmDNA, (iv) polymerization reactions that extend ssmDNA on a template to form a complete dsmDNA, (v) synthesis of mDNA sequences via mDNA polymerase chain reaction, (vi) isothermal denaturation of a dsmDNA into its component ssmDNA, and (vii) an isothermal replicator reaction that exponentially amplifies ssmDNA strands and may be modified to allow for mutations.
