DNA纳米结构的偏酶反应的仿生组装

罗格斯大学卡姆登分校的研究人员利用DNA纳米技术，创造了能够接近酶固定化和酶分隔化的自组装仿生系统。值得注意的是，这些结构已经证明自己能够形成一个多酶级联底物通道和调节反应电路。该研究的未来应用潜力广泛，包括医疗保健和生物医学研究的能量释放和化学合成。

我们的细胞和许多基本的生命功能是由细胞内分子之间的许多生化反应控制的。其中一些反应必须按照特定的顺序发生才能有效，而另一些反应则可能被附近的不同化学物质所打断。大多数的生化反应是由酶催化的。

酶结合
酶和底物分子结合在一起使用“锁和钥匙”的机制,这意味着接受区域的酶必须完美匹配的提出区域相应的分子(称为基质),为了让他们的反应——就像一把钥匙在门。许多研究旨在加深我们对这些反应在自然界中如何发生的理解。在理解自然反应的同时，科学现在还试图了解这些反应是如何被人工复制，甚至调控的。

这正是罗格斯大学卡姆登分校化学系的傅景林博士的研究发挥作用的地方。傅博士试图通过扮演微型建筑师的角色来开发人工化学反应系统。这些建筑师建造了微型支架，用来单独研究化学反应。他们构建的结构帮助他们更好地理解发生在纳米尺度上的细胞反应。作为参考，一纳米比人类一根头发的宽度小8万倍。该团队建造的微型支架直径不到100纳米。

建立DNA脚手架
设计和生产合成细胞反应堆的能力可以应用于广泛的场景。在纳米尺度上建造人工反应器可以更好地理解最大化这些反应效率的完美条件。这些完美反应的潜在应用范围很广，从优化药物到高效生物燃料。

但是什么样的材料可以安全地用来建造一个微小的支架来容纳和催化复杂的酶-底物反应呢?DNA。

自然，在这种微小的纳米尺度上制造结构是非常具有挑战性的。傅博士和他的团队的研究重点是利用DNA分子的自组装来制造纳米结构。自我组装是一个自发的过程，通过相互识别，独立的分子聚集在一起形成一个大的有组织的结构。DNA是一种众所周知的分子，它通过自组装自然形成了一个双螺旋结构。DNA纳米结构最吸引人的特性之一是它们能够在纳米尺度上将其他元素定位和组织成不同的模式。

通过使用DNA纳米技术来构建一个结构，该团队从自然中获得了最大的灵感，帮助确保他们的合成支架和笼子与他们正在研究的酶的兼容性。以这种方式模拟自然的系统被称为仿生系统。

复制性质
十多年来，傅博士一直致力于将这种DNA支架组装应用于非生物人工系统的研究。他和他的团队研究了模仿和翻译细胞机制的创新方法。他们创造的纳米结构被设计成包含人工酶复合物，并控制它们的距离、局限和底物扩散路径。

这种方法允许酶和它们的底物定位于或限制在自组装的DNA纳米结构上，从而加快了它们的反应速度。这不仅重现了加速反应的细胞邻近效应，而且通过将酶与其他可能干扰的化学物质分隔开来，保护酶免于降解。

这些能够产生最佳反应速率的隔间在自然界中也有。例如，在我们身体的细胞中，以及细胞器(如线粒体和溶酶体)中，有许多隔间促进大量的基本身体反应。

成功的摇摆手臂
值得注意的是，笼和支架的人工仿生体系表明，它们能够进行密切模仿其自然对应物的意外功能。发现人工系统能够维持人工酶级联，其密切模仿一个重要的生化途径对未来的生物医学和能源研究具有巨大潜力。

这项最新突破的灵感再次来自大自然，以及在人工分子系统中复制自然复杂细胞功能的愿望。在级联反应中，每一个酶与底物的结合都会释放一个产物，使下一个酶与底物的反应得以进行。这种级联反应构成了人体生化途径的一部分。该途径使用脱氢酶为细胞提供大部分能量，这是制造氨基酸、脂肪和核酸所必需的。有缺陷的途径可能导致人类贫血等情况。

在这个途径中，葡萄糖-6磷酸脱氢酶(G6pDH)和苹果酸脱氢酶(MDH)相互作用释放能量。G6pDH利用葡萄糖底物和一种名为NAD的辅助因子从葡萄糖中剥离氢原子，将它们传递给MDH，然后生成苹果酸。NADH是在这个过程中产生的，它是合成生命必需物质的另一个关键因素。

为了人为地复制这种途径，研究人员团队建立了一个自组装脚手架，并将G6PDH连接到另一端，另一端。然后它们将辅因子NAD连接到单个摆动链DNA，其具有足够的灵活性，以在支架的每一端之间来回移动。摆动臂允许反应继续，因为它将自然发生。

该团队构建了一个自组装支架，并在受控位置附着多种酶。

该团队甚至能够通过添加额外的摆动臂来调查这个支架实验的最大效率，以确定在反应速率稳定之前可以耐受多少摆动臂。他们发现，虽然G6pDH可以容纳多达4个额外的手臂，但MDH无法跟上，只需要两个手臂就能达到最大效率。

选择应用程序
诸如此类的其他试验已经建立在仿生自组装DNA纳米结构的原理上。该研究提供了具有用主体和调节功能产生进一步的仿生和纳米结构反应器的新见解。它也是朝向更复杂的合成细胞和亚细胞组分设计的重要一步。

傅博士所进行的这项研究的更广泛影响是为进一步开发人工纳米反应器来催化酶反应提供了新工具。这使得未来的研究能够将生化途径转化为其他应用。目前的研究表明，这种方法有可能造福各种行业，从医疗诊断和药物交付到化学品生产和智能材料研究。基于这一研究的潜在未来应用是丰富的，还有许多发展尚未作出。获得总统早期职业奖将确保Fu实验室能够继续他们的重要研究。这项为期五年的100万美元奖学金将用于资助研究生和博士后学生在实验室进行研究，并为本科生提供带薪暑期实习机会。

为了表彰该奖项和从美国陆军研究办公室获得的支持，傅博士重申了他的意图，探索该技术的所有潜在用途，包括探索提高作战人员保护和性能的潜力。

Additional work by Dr Fu’s laboratory has already seen the invention of a DNA-mediated biochemical reaction circuit that has been used to develop autonomous bio-molecular devices capable of analysing multiple biomarkers and reporting easy-to-read signals for point-of-care diagnosis.

这项研究并没有就此止步，傅博士已经概述了这项研究未来可能引领的许多潜在方向。这些想法包括设计类似细胞的隔间，为新的诊断设备或开发生物催化方法来产生生物能源铺平道路。他还致力于开发新的策略和工具，工程关键的仿生元件，包括控制空间限制，跨膜纳米孔，伴侣类酶包封和生化反应的反馈调节。无论这项研究的最终结果如何，很明显，它们将被记录在远远超过它们所建立的纳米尺度上。