從理論上證實(shí)DNA也可設(shè)計(jì)出有酶活性的結(jié)構(gòu)

生物系統(tǒng)比較復(fù)雜。盡管DNA可能攜帶簡單的堿基對序列，但是一旦它被轉(zhuǎn)錄為RNA和翻譯為蛋白，這種簡單序列能夠產(chǎn)生眾多而且經(jīng)常難以預(yù)測的結(jié)果。為了對抗RNA和蛋白結(jié)構(gòu)的不可預(yù)測性，合成生物學(xué)家能夠奮力設(shè)計(jì)的生物系統(tǒng)以便實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)。但是這一系統(tǒng)全部由DNA構(gòu)造而成將會是怎么樣？

根據(jù)2012年1月11日在線發(fā)表在Journal of Royal Society Interface期刊上的一篇研究論文，美國杜克大學(xué)Harish Chandran和同事們利用DNA的簡單性和可預(yù)測性提岀模擬聚合酶或限制性內(nèi)切酶的可能的DNA納米結(jié)構(gòu)以便執(zhí)行許多種生物學(xué)過程。

杜克大學(xué)設(shè)計(jì)DNA納米結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)工程師Chris Dwyer(未參與該項(xiàng)研究)說：“它在理論上地證實(shí)利用DNA結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一些重要反應(yīng)是可行的。”

盡管人們利用DNA“折紙術(shù)(origami)”---一種構(gòu)建準(zhǔn)確折疊的DNA納米結(jié)構(gòu)的方法---通過準(zhǔn)確放置反應(yīng)成分來促進(jìn)酶促反應(yīng)，但是Chandran的研究是*次試圖在這種系統(tǒng)中使用DNA作為酶。這些模型利用DNA雙螺旋及其“渴望”保持扭曲的特性。Chandran和他的研究小組構(gòu)建了元DNA(meta-DNA)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型，這些模型使用DN*段作為構(gòu)建單元(building block)或者說構(gòu)建磚頭(building brick)創(chuàng)造出更大的但是行為表現(xiàn)仍然很像DNA鏈的東西。

正如實(shí)際的堿基是DNA的基本單元，元堿基(meta-base即DNA磚頭)是元DNA的基本單元。元堿基是從3條正常雙螺旋鏈設(shè)計(jì)岀來的。每條鏈的末端與其他兩條鏈互補(bǔ)，這樣所有3條鏈將匹配為Chandran所描述的“三角星(three-prong star)”。這些三角星再通過互補(bǔ)的末端序列與其他三角星形成元DNA鏈。研究人員補(bǔ)充道，要構(gòu)建能夠起著類似酶作用的元DNA結(jié)構(gòu)，簡單地涉及將兩條不同長度的元DNA鏈結(jié)合在一起，從而提供一個缺口給元DNA其他單鏈片段結(jié)合。在合適條件下，新的元堿基開始結(jié)合到較長的元DNA鏈上，從 而產(chǎn)生可能的“酶促”反應(yīng)，如DNA復(fù)制(非常像PCR反應(yīng)：在合適條件下，較短的引物DN*段進(jìn)行延伸)。只要元DNA的一個元堿基內(nèi)元DNA鏈識別將被酶切的元DNA鏈上的序列，人們也就可能設(shè)計(jì)出元DNA來模擬限制性內(nèi)切酶活性。

盡管研究人員尚沒有構(gòu)建岀這些基于DNA的酶促反應(yīng)，但是他們已開始構(gòu)建實(shí)際的元DNA結(jié)構(gòu)，而且Chandran對此也充滿自信：只要進(jìn)行一些仔細(xì)規(guī)劃，他們就能夠?qū)⑦@些原理變成現(xiàn)實(shí)。他想象有朝一日能夠創(chuàng)建出可以與活著的組織發(fā)生相互作用的整個元細(xì)胞(meta-cell)，這樣它們可能攜帶治療性藥用成分到細(xì)胞內(nèi)部。

*由DNA構(gòu)建的系統(tǒng)理論上應(yīng)當(dāng)能夠消除RNA和蛋白的不必要的不可預(yù)測性，而且長期而言使得合成生物學(xué)家更容易設(shè)計(jì)岀*的系統(tǒng)。Chandran說：“我們對我們的團(tuán)隊(duì)充滿強(qiáng)烈的信心：我們可能能夠僅使用DNA鏈創(chuàng)建原始的生命。”

Dwyer同意酶設(shè)計(jì)是一個“迄今為止尚未解決”的問題，但是他指岀這種只用DNA構(gòu)建系統(tǒng)的一個關(guān)鍵性缺點(diǎn)。Dwyer解釋道，在這點(diǎn)上，“它實(shí)際上僅僅適用于其他元DNA構(gòu)造物”。為了使得元DNA變得真正有用，它將需要能夠與蛋白發(fā)生作用。元DNA也可能比正常的蛋白酶更加慢地發(fā)生反應(yīng)，這一點(diǎn)Chandran也承認(rèn)。

并不是每個人在*時間就看岀只用DNA構(gòu)建的系統(tǒng)的需要。蘇格蘭圣安德魯斯大學(xué)系統(tǒng)化學(xué)家Douglas Philp盡管稱贊這項(xiàng)研究“精巧”，但是他并不覺得RNA和蛋白需要替換。 Philp說：“蛋白發(fā)揮酶的作用，RNA能夠攜帶信息和催化反應(yīng)，而DNA攜帶信息。DNA非常適合攜帶信息，因?yàn)樗浅７€(wěn)定”，不過正是蛋白結(jié)構(gòu)的異常復(fù)雜性才有助于酶非常好地發(fā)揮作用。他注意到DNA只傾向于形成雙螺旋可能實(shí)際上限制了它的應(yīng)用。