布鲁克海文国家实验室 (左上)用透射电子显微镜(比例尺:50纳米)成像的八面体形状的DNA折纸的结构；插图是这种结构的示意图
(左下方)DNA折纸涂层的两种不同类型的胶蛋白结构示意图:刷子和块
(右)分子动力学模拟双链DNA和刷状(上)和块状(下)类型的类肽结构之间的相互作用(蓝色=类肽骨架，红色= DNA结合结构域，蓝色=水溶性结构域)
学分:布鲁克海文国家实验室 科学家已经设计并合成了具有精确序列和长度的分子链，以在各种生物医学相关条件下有效保护三维脱氧核糖核酸纳米结构免受结构降解
他们展示了这些“类肽包被的脱氧核糖核酸折纸”如何有潜力用于递送抗癌药物和蛋白质，成像生物分子，并靶向与癌症有关的细胞表面受体
他们设计蛋白胨来稳定生理环境中的脱氧核糖核酸折纸的方法在3月的国家科学院学报上发表的一篇论文中有所描述
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与日本折纸艺术类似，DNA折纸术是通过将链的不同部分与短DNA链的互补碱基对“缝合”，将长而柔韧的DNA链折叠成纳米级(十亿分之一米)的所需形状
这些可编程和精确控制的纳米结构对于许多生物医学应用是有益的，包括将药物和基因靶向输送到所需的组织或细胞，对体内的生物过程进行成像，以及用于疾病检测或健康监测的生物传感
然而，实现这种应用需要解决方案来保护复杂生物流体中的脱氧核糖核酸折纸结构，并实现非脱氧核糖核酸固有的新功能
“将DNA折纸技术的结构和形状优势应用于纳米医学的一个限制因素是，置于人体内，DNA纳米结构很容易被酶消化或随着溶液组成或酸碱度水平的变化而降解，”第一作者王世廷(Christine)解释说，她是美国大学功能纳米材料中心(CFN)软和生物纳米材料组的博士后
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能源部布鲁克海文国家实验室
“在这项研究中，我们合成了被称为类肽的生物相容分子，它们具有明确的分子序列组成和长度
我们在八面体形状的脱氧核糖核酸折纸上涂上了这些肽，这种折纸具有很高的机械稳定性，并有很大的开放空间来运送纳米货物，如小分子抗癌药物
我们的演示表明，类肽涂层在各种生理条件下有效地保护了脱氧核糖核酸折纸，并支持在生物医学应用中添加不同的化学功能
" 类肽类似于肽或氨基酸的短链
然而，在肽中，侧链(连接到分子主链或主链上的化学基团)连接到氮上而不是碳上
此外，由于骨架中缺少氢键，类肽更加灵活
这种灵活性可以用来控制类肽如何与脱氧核糖核酸折纸结合
“我们的目标是制作一种简约的涂层，它不会增加折纸的体积，但同时又足够高效，能够提供保护、溶解性和与不同生物功能的兼容性，”相应的作者奥列格·冈(Oleg Gang)说，他是CFN软纳米材料和生物纳米材料集团的负责人，也是哥伦比亚工程大学化学工程、应用物理和材料科学的教授
“如果涂层折纸变得笨重，它的形状以及它与其他生物分子和折纸的相互作用和容纳方式都会受到影响，从而导致各种各样的并发症
" 王和刚在伦敦帝国理工学院的合作者的协助下，利用劳伦斯伯克利国家实验室的分子铸造厂的设备合成了两种用于保护DNA折纸的类肽结构:刷型和块型
这两种结构都有一个DNA结合域(带正电荷的部分与带负电荷的DNA结合)和一个水溶性域(确保DNA被水分子包围的部分，水分子是稳定化所必需的)
刷式体系结构在这两个域之间交替，而块式体系结构将它们聚集在一起形成不同的“块”
" 为了确定哪种类型更能提供保护，科学家们研究了双链DNA和类肽的结合
用荧光染料(与脱氧核糖核酸结合)进行的实验表明，特定的刷型结构在高温下稳定包被有类肽的双链脱氧核糖核酸时最有效
澳大利亚墨尔本皇家理工大学的一名合作者模拟了分子水平的脱氧核糖核酸-类肽相互作用来理解为什么
“我们相信交替结构实现了平衡，一些片段位于DNA双螺旋结构的凹槽内以提供保护，而其他片段突出以与水有利地相互作用，”王说
“最佳配置是刷型，具有12个脱氧核糖核酸结合基团和12个水溶性基团
" 一个示意图，显示了如何将“炔”反应基团结合到包被在DNA折纸上的类肽序列中，并与已被“叠氮化物”化学基团修饰的荧光团标记的纳米陶土(如曲妥珠单抗)结合(红色)
通过炔-叠氮点击化学反应，类肽包被的脱氧核糖核酸分子的表面可以被功能化
学分:布鲁克海文国家实验室 在这些研究的指导下，研究小组研究了几种生理相关条件下类肽包被的DNA折纸的结构稳定性:在含有低浓度带正电荷的镁离子的溶液中，在含有DNA特异性核酸酶(一种酶)的溶液中，以及在细胞培养基(含有低浓度的核酸酶和镁离子)中孵育
通常，高镁离子浓度需要通过减少脱氧核糖核酸-脱氧核糖核酸负电荷的排斥来稳定脱氧核糖核酸折纸，但生理液体含有低得多的浓度
在他们的研究中，他们使用了一系列实验技术:琼脂糖凝胶电泳，一种根据电荷和大小分离DNA片段(或其他大分子)的方法；CFN的透射电子显微镜成像和动态光散射:和在布鲁克海文国家同步加速器光源二号(NSLS二号)的生命科学x光散射光束线上的实时小角度x光散射
结果表明，折纸的结构在用专门设计的肽样物质包被并置于不同的生理条件下后仍保持完整
在这些实验之后，科学家们与斯坦福大学的贝托齐小组合作进行了一系列演示，探索类肽涂层折纸如何用于生物医学应用
例如，他们将化疗药物阿霉素装入有涂层的折纸中
多柔比星是HER2阳性乳腺癌患者常用的药物之一，HER2蛋白(乳腺细胞上的一种受体)的过度表达导致细胞无法控制地分裂和生长
在48小时内，通过药物固有荧光强度测量，涂层折纸释放的阿霉素比非涂层折纸释放的阿霉素少
“最终目标是能够在药物释放过程中调节释放速率，以控制生物和毒性效应，”王解释说
在第二次纳米暗语演示中，他们研究了蛋白质是否可以以类似的方式传递
在蛋白质消化酶胰蛋白酶的存在下，他们将牛衍生的蛋白质(附着在荧光分子上以便观察)包裹在有涂层的折纸中
由于脱氧核糖核酸折纸本身和类肽涂层的结合，胰蛋白酶对这种被包裹的蛋白质的消化减少并减慢
在最后的演示中，他们用曲妥珠单抗功能化了类肽包被的DNA折纸的表面
曲妥珠单抗通常被称为赫赛汀，是一种针对HER2受体的抗体
一旦与这些受体结合，曲妥珠单抗就会阻止癌细胞接受生长所需的化学信号
他们通过在曲妥珠单抗分子的特定位点和类肽序列中添加化学基团来实现表面功能化
通过“点击化学”，这些基团选择性地反应形成共价键(类似于点击安全带扣环)
在随后的实验中，王计划探索组合疗法的潜力，在这种疗法中，肽样包被的携带多柔比星并具有曲妥珠单抗功能化表面的DNA折纸靶向HER2阳性乳腺癌细胞
王在2019年4月参加由布鲁克海文技术转让办公室主办的第二次创业培训研讨会时，通过布鲁克海文技术成熟项目获得了进一步开发该技术的资金
布鲁克海文的知识产权法律小组最近向美国专利局提交了一份类肽设计方法的临时专利申请
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专利局
“我们现在正进入转化阶段，用细胞和潜在的完整生物体进行实验，”冈说
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