Влияние последовательности и динамики соединения Холлидея на самость кристалла ДНК

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3112 (2022) Цитировать эту статью

4312 Доступов

17 цитат

73 Альтметрика

Подробности о метриках

Программируемый синтез рационально спроектированной кристаллической архитектуры для точного расположения молекулярных видов является основополагающей целью нанотехнологий, а ДНК стала одной из наиболее важных молекул для создания этих материалов. В частности, разветвленные соединения ДНК использовались в качестве центрального строительного блока для сборки трехмерных решеток. Здесь кристаллография используется для исследования влияния всех 36 неподвижных последовательностей соединений Холлидея на самосборку кристаллов ДНК. Вопреки сложившейся в этой области парадигме, большинство соединений образуют кристаллы, причем некоторые из них повышают разрешение или приводят к уникальной симметрии кристаллов. Неожиданно оказалось, что даже последовательность, примыкающая к стыку, оказывает существенное влияние на кристаллические ансамбли. Шесть из последовательностей неподвижных соединений полностью устойчивы к кристаллизации и поэтому считаются «фатальными», а моделирование молекулярной динамики показывает, что в этих соединениях всегда отсутствуют два отдельных сайта связывания ионов, которые имеют решающее значение для образования кристаллов. Структуры и динамика, подробно описанные здесь, могут быть использованы для информирования будущих проектов как кристаллов, так и наноструктур ДНК в более широком смысле и иметь потенциальное значение для молекулярной инженерии прикладной наноэлектроники, нанофотоники и катализа в кристаллическом контексте.

Создание гибко настраиваемых 3D-архитектур на основе ДНК для точной организации наноразмерных материалов было первоначально концептуализировано Симаном в 1982 году. Было разработано множество методологий, позволяющих программируемую самосборку, включая прикрепление ДНК-линкеров к наночастицам ( NP) поверхности2,3 для построения 3D-решеток с заданными пользователем коллоидными кристаллическими конфигурациями NP4,5,6,7,8. С появлением ДНК-оригами9 были описаны 3D-сверхрешетки форм кластеров наночастиц10,11, а также 3D-решетки-оригами, демонстрирующие настраиваемую геометрию для размещения гостевых видов12. Было также показано, что рационально спроектированные кристаллы, основанные на мотиве «тенсегрити»13, которые самособираются с специально разработанными точками пересечения четырехлучевых соединений и сцеплением «липких концов», способны превращаться в наноустройства14. Недавно сообщалось о нескольких уникальных мотивах с отличительной кристаллической симметрией, улучшенным разрешением и в одном случае с уникальной соединительной нуклеотидной последовательностью15,16,17,18.

Применение четырехсторонних соединений для трехмерных кристаллов ДНК было вдохновлено генетической рекомбинацией, в результате которой создается нестабильное разветвленное промежуточное соединение, называемое соединением Холлидея (HJ), которое впоследствии подвергается динамической реконфигурации, чтобы облегчить рекомбинацию во время деления клеток19. Соединения Холлидея были широко структурно охарактеризованы20,21,22,23,24,25,26,27,28,29 и стали ключевым мотивом для рационально спроектированных наноразмерных сборок и устройств в структурной нанотехнологии ДНК1,30. слайд» и изменить длину своих рук31,32 — процесс, известный как миграция ветвей33. Однако введение асимметричных последовательностей в точку ветвления эффективно иммобилизует соединение и позволяет использовать его для создания четко определенных наноструктур34. Несмотря на то, что использовались различные многоветвевые соединения35,36,37,38,39,40,41, четырехветвевой HJ остается самым популярным.

Теоретически существует 36 комбинаций пар оснований неподвижных последовательностей. «J1» был самым ранним проектом42,43 и использовался почти исключительно при создании самособирающихся 3D-кристаллов13,15,16,17 за единственным исключением, когда использовался «J10»18. В некоторых ранних работах изучалось влияние последовательности на упаковку соединений стоп-X с использованием теоретических44,45 или экспериментальных методов46,47, но, насколько нам известно, систематического исследования неподвижных ГП не проводилось. Кроме того, хорошо известна связь между концентрацией ионов и переходом ГП из открытой конформации в стопку20,25,48,49,50,51; однако исследования влияния последовательности на способность связывать ионы ограничены, что делает выяснение структурных параметров, которые влияют на кристаллизацию и симметрию, желательным путем для исследования.