dna编码链的碱基序列（转载JACS）

dna编码链的碱基序列（转载JACS）接下来，作者探究了簇中GNP间的距离是否可以通过ss-scaffolds进行编程。为此，使用GNC2结构进行精确的空间控制，通过A10构建了三种Scaffold2，在polyA loop之间具有不同的ds-stem长度（15、25和35 bp，命名为Scaffold2-1到3，预期的长度分别约为5.1、8.5和11.9 nm，图2a)。TEM的结果显示(图2b-d），形成的GNP二聚体的平均粒径为2.3±0.6 nm。值得注意的是，二聚体中两个GNP的中心距分别为~4.5、6.6和8.9 nm（图2f），与Scaffold2-1-3中polyA的间距（分别为~6.6、9.8和12.9 nm，图2e）的变化趋势一致。这些结果表明，GNC间的距离可以通过DNA支架中polyA loop之间的距离来确定。图1.通过单链DNA支架编码金纳米粒子簇(GNCs)大家好，今天与大家分享一篇发表在JACS

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*本文转载自“于涵洋课题组”公众号，2022年5月18日；发布于“纳米酶Nanozymes”，2022年5月26日

*编辑：俞纪元

大家好，今天与大家分享一篇发表在JACS上的文章，文章的题目是Single-Stranded DNA-Encoded Gold Nanoparticle Clusters as Programmable Enzyme Equivalents。通讯作者是中国科学院上海高等研究院的李江研究员。

纳米酶是一类新型的催化纳米材料，在各种应用中替代天然酶显示出巨大的潜力。然而，合理设计纳米酶中多个亚基的空间排列，以实现其催化性能仍然是一个巨大的挑战。本文中，作者报告了一种基于DNA的方法来编码金纳米粒子簇(GNCs)，以构建可编程酶等价物(PEE)。研究发现单链DNA(ss-DNA)支架可以通过特定的聚腺嘌呤环(polyA loop)和双链茎(ds-stem)自我折叠成纳米结构，并且polyA loop可作为GNC无种成核和生长的特定位点，具有明确的粒子数和粒子间距。以这种方式原位合成了一系列GNCs，从具有离散粒子数（2-4）的低聚物到类聚合物链。以多个空间排列的纳米颗粒为亚基的聚合物GNCs显示出可编程的过氧化物酶样催化活性，并且，其活性可通过支架尺寸和polyA间隔区长度进行调节。

图1a展示的是多域ssDNA支架的设计原理。支架包含特定数量（此处为2-4个）的polyA结构域（每个具有20个连续的腺嘌呤，或A20）和具有配对序列的非polyA结构域（长度为20或15 nt），可以自我折叠成多臂纳米结构（2-4臂，命名为Scaffold2–Scaffold4），结构中包含特定数目的polyA loops和特定长度的ds-stems。其中，polyA结构域可以作为GNP生长的成核位点，而相对刚性的ds-stem上由于几乎没有金的沉积，因此可用于间隔GNPs。这些结构特征会导致形成具有特定空间组织特点的GNCs。值得注意的是，簇的粒子数分布会随着支架中polyA loop数目的改变而改变（图1b-d）。如图1e-g所示，Scaffold2–Scaffold4所形成的主要产物分别为两粒子、三粒子和四粒子的GNCs（GNC2、GNC3或GNC4），产率约为71.6、53.9和41.4%。这表明大部分GNCs的粒子数与支架中polyA loop数目一致，并且产率会随着polyA loop数目的增加而降低，这可能是由于相邻polyA loop之间的成核/生长反应的竞争引起的。总之，这些结果表明ssDNA支架确实可以以位点选择性方式模板合成GNCs，并且，每个GNC的粒子数可以通过支架中polyA loop的数量来控制。

图1.通过单链DNA支架编码金纳米粒子簇(GNCs)

接下来，作者探究了簇中GNP间的距离是否可以通过ss-scaffolds进行编程。为此，使用GNC2结构进行精确的空间控制，通过A10构建了三种Scaffold2，在polyA loop之间具有不同的ds-stem长度（15、25和35 bp，命名为Scaffold2-1到3，预期的长度分别约为5.1、8.5和11.9 nm，图2a)。TEM的结果显示(图2b-d），形成的GNP二聚体的平均粒径为2.3±0.6 nm。值得注意的是，二聚体中两个GNP的中心距分别为~4.5、6.6和8.9 nm（图2f），与Scaffold2-1-3中polyA的间距（分别为~6.6、9.8和12.9 nm，图2e）的变化趋势一致。这些结果表明，GNC间的距离可以通过DNA支架中polyA loop之间的距离来确定。

图2.基于ssDNA支架的可调GNP间隙。

在建立了可以量化粒子数的GNCs之后，作者进一步合成了具有多个粒子数的簇（即GNCn）。如图3a所示，通过滚环扩增(RCA)设计并合成了具有周期性重复polyA loop-stem单元的ssDNA支架。并利用原子力显微镜(AFM)成像(图3b、c)揭示了RCA产物的无定形形态，其表面的展宽直径为128±42 nm，高度为40±10 nm。之后，以Scaffoldn结构为模板进行Au生长反应，如图3f，g所示，结构尺寸和高度的显著增加表明Au在支架结构上的成功生长。TEM图像的元素映射分析（图3h，i）以及点模式能量色散X射线光谱（EDX）数据（图3j)揭示了簇结构中含有高丰度的Au和P元素，这表明该结构为DNA-GNP复合物。总之，这些结果证实了具有多个polyA loops的大型ss-支架可用于产生多个GNPs，从而形成聚合GNCs(GNCn)。

图3.由RCA衍生的支架制备可编程的聚合GNC(GNCn)。

接着，作者进一步研究了是否可以通过调整支架大小来调节GNCn的过氧化物酶催化活性。首先，通过不同反应时间（分别为1、2和4小时）的RCA反应制备了一系列支架（Scaffoldn-1–Scaffoldn-3）。AFM的结果显示，Scaffoldn-1-3的直径约为90±32、126±43和208±66 nm（图4a、c），这证明了支架的大小（由DNA长度决定）可以通过RCA反应的持续时间进行调节。随后进行Au生长反应，TEM图像显示GNCn-1-3的直径分别为109±36、140±51和234±77 nm，与测量的支架直径呈正相关（图4b、d)。每个GNC的GNP数量似乎也随着GNC大小的增加而增加，这可归因于每个支架上polyA loop数的增加。总体而言，每个GNC的GNP数量可以通过RCA反应时间控制支架长度进行调整。接下来，作者比较了GNCn-1-3的催化性能，结果表明，在三种GNCn结构中，底物亲和力随着支架大小的增加而增加，GNCn-3表现出最高的底物亲和力，这验证了该系统具有通过调整支架长度，来调整每个GNC的GNP数，进而调节其酶催化性能的能力。

图4.通过调整Scaffoldn的大小来调整GNCn的过氧化物酶样催化活性。

最后，作者试图通过调整支架的polyA的间隔序列长度来调节催化性能。通过4个小时的RCA反应合成了Scaffoldn-4，与上述Scaffoldn-3具有相同的polyA loop，但具有更长的单元间隔（50 nt，比上述使用的8 nt长6倍以上）。由于RCA产物的长度主要取决于RCA反应时间，因此Scaffoldn-4和Scaffoldn-3的总长度相近。随后，在相同的Au生长条件下制备GNCn-4，并与GNCn-3进行比较，TEM结果显示（图5a），GNCn-4的总体尺寸（226±70 nm）与GNCn-3（图5b）相似，证实了GNCn的总体尺寸主要取决于通过RCA反应时间调整的支架长度。值得注意的是，与GNCn-3相比，GNCn-4中GNP分布显得更稀疏；同时，GNCn-4中GNP大小普遍比GNCn-3中的大，这可能是由于GNCn-4中密度较低的polyA loop之间的竞争较弱导致的。此外，GNCn-4溶液的峰值吸收波长（~528 nm，图5c）比GNCn-3（~534 nm）短，表明GNCn-4的平均粒子间距离应大于GNCn-3的平均粒子间距，这与TEM观察结果一致。这些结果表明，通过调整Scaffoldn的polyA间隔序列长度，GNCn的内部结构特征（包括GNP大小、数量和粒子间距）可以同时受到影响。之后，作者通过TMB比色测定来比较GNCn-3和GNCn-4的催化性能。结果显示，所得GNCn-4结构的催化活性都低于GNCn-3。尽管GNCn-4中稀疏的GNP分布被认为有利于内部GNP与外部环境之间的底物-产物扩散，但其底物结合亲和力(Km=0.1136 mM)仍低于GNCn-3(Km=0.0481 mM）（图5e）。值得注意的是，GNCn-3的Km值也明显优于游离的、使用柠檬酸稳定的GNP和常用的辣根过氧化物酶（HRP）（图5f）。此外，该活性可以通过ss-scaffolds上polyA loop的数量和间距来调整。

图5.通过调整支架上的单元间隙来调节催化活性。

总之，作者报告了一种基于DNA的方法来编码金纳米粒子簇，以构建可编程酶等价物。该研究为各种生物和生物医学应用中纳米酶的合理设计开辟了新途径。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.1c13116