背景
01
pH依赖的tsDNA折纸开关
2024年7月发表在nature nanotechnology上的“A DNA robotic switch with regulated autonomous display of cytotoxic ligand nanopatterns”提出了一种刺激响应机器人开关纳米设备，它可以自主地和选择性地打开肿瘤微环境中细胞毒性配体模式的显示。这种可切换的DNA折纸，它通常隐藏六个配体，但一旦在高酸度下，它们就会显示为直径10纳米的六边形图案。这可以有效地聚集DRs，并在pH 6.5时触发人乳腺癌细胞的凋亡，同时在pH 7.4时保持惰性。
作者评估了 pH 值本身是否会影响细胞生长。在原始细胞培养基和 pH 值为 7.4 或 6.5 的培养基中培养的细胞存活率没有差异。用 PEG_pH_O6p 处理 pH 值为 7.4 的 SK-BR-3 癌细胞对细胞存活率没有影响。相反，pH 值为 6.5 的细胞在培养 4 小时后存活率持续下降。24 小时和 48 小时后，存活的细胞分别不到 20% 和 10%。对细胞凋亡的进一步分析表明，与在 pH 值为 7.4、空折纸或对照组条件下用 PEG_pH_O6p 培养的细胞相比，在 pH 值为 6.5 条件下用 PEG_pH_O6p 培养的细胞中，处于早期（46.8% 对 5.8%）或晚期（32.2% 对 4.5%）凋亡状态的细胞要多得多。因此，验证了 PEG_pH_O6p 是以pH依赖性方式开启其诱导细胞凋亡和细胞毒性生物活性的。
图1.折纸与乳腺癌细胞的相互作用和DR5聚集的诱导
图2.细胞毒性受酸性条件控制
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01676-4
02
酶反应性 DNA 折纸-抗体共轭物
单一疗法，尤其是使用靶向血管内皮生长因子(VEGF)的抗体，在治疗脉络膜新生血管(CNV)方面显示出局限性，因为活性氧(ROS)也加剧CNV的形成。在ACS NANO上的文章“Enzyme-Responsive DNA Origami-Antibody Conjugates for Targeted and Combined Therapy of Choroidal Neovascularization”通过基质金属蛋白酶（MMP）可清除的肽链将修饰有 VEGF 配合物（Ap）的矩形 DNA 折纸片与抗 VEGF 抗体（aV）连接在一起进行玻璃体内注射，明显抑制眼部新生血管。
作者旨在开发一种针对VEGF和ROS的眼部血管化联合疗法。一旦DNA折纸平台非常接近新生血管损伤，MMPs就会切割接头，在 MMPs 的裂解作用下，DNA 折纸平台可以释放 aV。释放出的 aV 和 Ap 保留在 rDOS 表面，可以阻断血管内皮生长因子的活性，因为它们与血管内皮生长因子的竞争性结合阻止了血管内皮生长因子与血管内皮生长因子受体（VEGFR）的结合。此外，裸露的 rDOS 可作为 ROS 清除剂，缓解血管功能障碍引起的氧化应激。
图3.用于脉络膜新生血管靶向和联合治疗的基于DNA折纸的多功能平台的示意图
图4.DNA折纸-抗体偶联物的制备和表征
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c05635
03
光触发合成纳米孔
用光控制生物分子过程在生物研究和生物医学中是令人感兴趣的，因为光允许以非侵入和无毒的方式精确和选择性地激活。受益于光控制的分子过程是货物穿过生物膜的运输，这通常通过刺穿膜的桶形纳米孔来实现。
近期，发表在Angewandte Chemie上的一篇文章“A Light-Triggered Synthetic Nanopore for Controlling Molecular Transport Across Biological Membranes”设计了一种合成的光控纳米结构，它通过可控的盖子来调节跨膜运输。光触发纳米孔是由六条成孔DNA链和一条携带光开关偶氮苯分子的lid链自组装而成的。暴露在光线下会打开小孔，允许小分子跨膜运输，可用于生物技术、生物传感、靶向药物释放或合成细胞。
图5.光控纳米孔LP的设计和功能原理
LP 的设计由一个桶形纳米孔和一个光控盖组成。纳米孔由 6 条 DNA 链组成，这些 DNA 链组合成 6 个双螺旋，通过发夹相互连接，呈六角形排列。纳米孔的高度为 12.5 纳米，外径为 5 纳米，有一个 2 纳米宽的通道腔。孔道的两个双链具有拉长的非配对序列裂片，称为 “铰链”，用于与盖链杂交。铰链编号为 1 和 2。在 LP 的闭合状态下，盖链与两个铰链结合，从而阻塞了分子货物运输的通道入口。
为了发挥光敏纳米阀的功能，LP 的盖链上配备了可进行光开关的偶氮苯分子。偶氮苯是一种经过充分研究的发色团，可进行光开关和可逆的顺反异构。这种光调节异构化已被用于控制生物分子过程，可通过波长 λ < 400 纳米的光照触发，将反式异构体转换为顺式异构体，或通过波长 λ > 400 纳米的光照实现反向转换，其中波长是异构体的最大吸收波长。当反式异构体与 DNA 链结合时，反式异构体可以形成双链，因为扁平的发色团可以插入相邻的碱基对，从而稳定双链。与此相反，用波长小于 400 纳米的紫外线照射时，会产生屈曲的偶氮苯顺式异构体，这种异构体不能插层，而且会通过立体相互作用破坏双链的稳定性。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202210886
04
化学燃料驱动DNA折纸纳米引擎
自然产生的马达蛋白质继续激发纳米技术在工程系统中模仿动态机械行为。由于蛋白质的编码结构——功能协调，蛋白质在进化上适合这项任务，例如驱动蛋白在微管上“行走”。然而，自然界中以生物化学为燃料的分子机械机器对纳米工程师来说是一个挑战。
2023年10月发表在Nature Nanotechnology的“A rhythmically pulsing leaf-spring DNA-origami nanoengine that drives a passive follower”描述了一种DNA“纳米引擎”,它响应化学燃料而有节奏地脉动。附在纳米引擎上的被动跟随器结构串联地共同致动，从而实现了可以控制次级物体的合成分子马达。
图6.DNA纳米引擎力学
纳米引擎是一种双臂 DNA 折纸结构，具有可调节的铰链。双臂通过由 T7 启动子、任意序列和终止子组成的双链 DNA 桥连接。一个 T7 RNA 聚合酶（T7RNP）被系在其中一个臂上。供体-受体荧光团对的佛斯特共振能量转移（FRET）位于臂的内侧，为纳米引擎的配置提供光学反馈。双臂张开时无 FRET 信号，双臂闭合时则呈高 FRET 状态。在三磷酸核苷(NTPs)的存在下，T7RNP启动桥DNA的转录，并将两条臂拉得更近。当RNA合成完成时，臂被释放。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-023-01516-x
总结
DNA折纸技术基于DNA分子的碱基配对原则，通过设计特定的短链DNA（称为“订书钉”）与一条长的单链DNA（支架）进行互补配对，从而折叠成预定的二维或三维纳米结构。DNA折纸结构可以通过设计使其对特定的生物分子、pH值、温度、光等刺激做出响应，从而在生物传感和智能药物递送系统中发挥作用。随着技术的不断进步和创新，预计DNA折纸将在未来的科学研究和工业应用中发挥更加重要的作用。
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往期回顾
Advanced Science | 构建具有盘绕线圈斑块和图案的可重构和多态 DNA 折纸组装体
Nano Letters | 二维 DNA 折纸纳米孔上六方氮化硼量子发射器的特定位点集成
