《自然》子刊：用DNA制造出全世界最小的納米天線

就像一個(gè)可以接收和發(fā)射無(wú)線電波的雙向無(wú)線電一樣，科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)5nm的熒光納米天線。它可以接收一種顏色的光，并根據(jù)所感知的蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)，以另一種顏色反射回來(lái)，最后被檢測(cè)到。納米天線的主要?jiǎng)?chuàng)新之一是天線的接收器部分（下圖亮綠色），可通過(guò)感應(yīng)分子間相互作用，來(lái)研究蛋白質(zhì)的分子表面。

▲DNA納米天線（圖片來(lái)源：Caitlin Monney）

加拿大蒙特利爾大學(xué)Alexis Vallée-Bélisle教授研究團(tuán)隊(duì)將這一研究成果在線發(fā)表在《自然·方法》上。這種納米天線提供了一種監(jiān)測(cè)蛋白質(zhì)構(gòu)象變化的新方法，有助于更好地理解自然的和人類設(shè)計(jì)的納米技術(shù)。

40 多年前，科學(xué)家發(fā)明了第一臺(tái) DNA 合成器來(lái)制造編碼遺傳信息的分子。近年來(lái)，化學(xué)家們已經(jīng)意識(shí)到，DNA也可以用于構(gòu)建各種納米結(jié)構(gòu)和納米機(jī)器。

了解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和功能之間的關(guān)系對(duì)于基礎(chǔ)研究和生物技術(shù)都至關(guān)重要。然而，研究蛋白質(zhì)瞬態(tài)仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)楝F(xiàn)有的測(cè)定結(jié)構(gòu)的高分辨率技術(shù)，包括核磁共振和 X 射線晶體學(xué)，通常不能直接用來(lái)研究短壽命的蛋白質(zhì)狀態(tài)。

目前，其他檢測(cè)技術(shù)只能監(jiān)測(cè)到較大的構(gòu)象，或者需要復(fù)雜的化學(xué)設(shè)計(jì)。如果想要檢測(cè)到某些蛋白質(zhì)在發(fā)揮酶催化等功能過(guò)程中發(fā)生的微小構(gòu)象變化，則需要設(shè)計(jì)一種更為敏感的策略。

這次，研究團(tuán)隊(duì)利用非共價(jià)染料-蛋白質(zhì)相互作用，成功設(shè)計(jì)出這樣一種稱為熒光納米天線的多功能工具。

在這項(xiàng)研究中，研究人員選擇牛小腸堿性磷酸酶（AP）作為模型蛋白，來(lái)驗(yàn)證納米天線是否可以檢測(cè)蛋白質(zhì)活性。

AP在預(yù)防炎癥、促進(jìn)共生微生物群的生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)pH值、激活前藥和基礎(chǔ)生物物理學(xué)研究方面具有重要作用。研究AP的功能通常需要合成底物來(lái)提供信號(hào)，然而AP的生物分子底物，例如三磷酸核苷酸在光譜上是沉默的，對(duì)于生物分子尚無(wú)合適的實(shí)時(shí)分析方法。

▲熒光納米天線示意圖（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

在分子設(shè)計(jì)上，研究人員通過(guò)高度程序化的亞磷酰胺化學(xué)方法，合成了由DNA和聚乙二醇（PEG）組成的納米天線。它一端含有熒光染料，例如熒光素（FAM），另一端含有生物素（上圖，Start）。

首先，生物素和鏈霉親和素（SA）通過(guò)非共價(jià)相互作用，使得納米天線能夠快速連接到生物素標(biāo)記的蛋白質(zhì)上，這時(shí)可以觀察到FAM 熒光減少或猝滅（Step 1）。

接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)添加模型蛋白：生物素化的小牛腸堿性磷酸酶（bAP）。FAM從SA中釋放，導(dǎo)致熒光信號(hào)增強(qiáng)（Step 2）。

最后，在添加AP底物后，納米天線會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)熒光“尖峰”，這種獨(dú)特的信號(hào)能夠?qū)崟r(shí)體現(xiàn)酶與底物結(jié)合的瞬時(shí)狀態(tài)（Step 3）。

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，利用DNA化學(xué)相對(duì)簡(jiǎn)單且程序化的優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)調(diào)整連接臂的長(zhǎng)度和選擇不同的染料分子，得到具有理想性能的納米天線。納米天線可用于表征酶的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，可檢測(cè)并描述腸道堿性磷酸酶的五個(gè)不同構(gòu)象狀態(tài)。

研究人員還用另一種模型蛋白（G蛋白）及其與抗體的相互作用探討了納米天線策略的普遍性，并展示了一種尋找高效的納米天線的快速篩選方法。

▲快速篩選G蛋白納米天線的策略 （圖片來(lái)源：參考資料[1]）

在這項(xiàng)研究中，作者利用納米天線，首次實(shí)時(shí)檢測(cè)到堿性磷酸酶與一系列生物分子和藥物的相互作用。納米天線可幫助我們了解我們身體中天然的納米機(jī)器是如何發(fā)揮作用，或發(fā)生故障從而導(dǎo)致疾病的。更重要的是，這種新方法還可以幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)有前途的新藥，并指導(dǎo)納米工程師開發(fā)納米機(jī)器。

注：原文有刪減

參考資料

[1] Scott G. Harroun et al., (2022) Monitoring protein conformational changes using fluorescent nanoantennas. Nature Methods. Doi:10.1038/s41592-021-01355-5

[2] Chemists use DNA to build the world’s tiniest antenna. Retrieved Jan. 11, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/939627