Holliday 접합 서열과 역학이 DNA 결정 자체에 미치는 영향

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3112(2022) 이 기사 인용

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분자종의 정확한 배열을 위해 합리적으로 설계된 결정 구조의 프로그래밍 가능한 합성은 나노기술의 기본 목표이며, DNA는 이러한 물질의 구성에 가장 중요한 분자 중 하나가 되었습니다. 특히, 가지형 DNA 접합부는 3D 격자 조립을 위한 중앙 빌딩 블록으로 사용되었습니다. 여기에서는 결정학을 사용하여 자가 조립 DNA 결정에 대한 36개의 고정 Holliday 접합 시퀀스 모두의 효과를 조사합니다. 현장에서 확립된 패러다임과는 달리 대부분의 접합은 결정을 생성하며 일부는 분해능을 향상시키거나 독특한 결정 대칭을 초래합니다. 예기치 않게 접합에 인접한 시퀀스조차도 수정 어셈블리에 상당한 영향을 미칩니다. 고정 접합 시퀀스 중 6개는 결정화에 완전히 저항하므로 "치명적"인 것으로 간주되며, 분자 역학 시뮬레이션에 따르면 이러한 접합에는 결정 형성에 중추적인 두 개의 개별 이온 결합 사이트가 항상 부족하다는 것이 밝혀졌습니다. 여기에 설명된 구조와 역학은 결정과 DNA 나노구조의 미래 설계를 보다 광범위하게 알리는 데 사용될 수 있으며, 결정 환경 내에서 응용 나노전자공학, 나노포토닉스 및 촉매 작용의 분자 공학에 잠재적인 영향을 미칠 수 있습니다.

나노 크기 물질의 정확한 구성을 위한 고도로 맞춤화 가능한 3D DNA 기반 아키텍처의 제작은 원래 19821년 Seeman에 의해 개념화되었습니다. DNA 링커를 나노입자에 부착하는 것을 포함하여 프로그래밍 가능한 자가 조립을 허용하는 다양한 방법론이 개발되었습니다. NP) 표면2,3은 사용자 정의 콜로이드 NP 결정 구성4,5,6,7,8을 사용하여 3D 격자를 구성합니다. DNA 종이접기9의 출현으로 나노입자 클러스터 모양의 3D 초격자가 호스트 게스트 종12에 대한 사용자 정의 가능한 형상을 표시하는 3D 종이접기 격자와 함께 설명되었습니다. 설계된 4개의 팔 접합 교차점과 "끈적끈적한 끝" 응집력으로 자체 조립되는 "tensegrity" 모티프13를 기반으로 합리적으로 설계된 결정은 나노 장치14로 변환될 수 있는 것으로 나타났습니다. 최근 독특한 결정 대칭성, 향상된 분해능 및 한 경우에는 독특한 접합 뉴클레오티드 서열을 가진 여러 가지 독특한 모티프가 보고되었습니다15,16,17,18.

3D DNA 결정에 대한 4방향 접합의 적용은 유전적 재조합에서 영감을 얻었으며, 이로 인해 Holliday 접합(HJ)이라고 불리는 불안정한 분지형 중간체가 생성되고 이후 세포 분열 중에 재조합을 촉진하기 위해 동적 재구성을 거칩니다. Holliday 접합은 구조적으로 광범위하게 특성화되었으며20,21,22,23,24,25,26,27,28,29 구조적 DNA 나노기술에서 합리적으로 설계된 나노규모 어셈블리 및 장치의 핵심 모티프로 나타났습니다1,30 자연적으로 발생하는 HJ는 " 슬라이드"를 하고 팔 길이를 변경합니다31,32. 이 과정을 가지 이동33이라고 합니다. 그러나 분기점에 비대칭 시퀀스를 도입하면 접합부를 효과적으로 고정하고 잘 정의된 나노구조를 구축하는 데 사용할 수 있습니다. 다양한 다중 분기 접합이 사용되었지만 4개 암 HJ가 여전히 가장 인기가 있습니다.

이론적으로 고정 서열의 염기쌍 조합은 36개입니다. "J1"은 가장 초기에 설계되었으며42,43, "J10"이 사용된 한 가지 예외를 제외하고는 거의 독점적으로 자체 조립된 3D 결정의 구성에 사용되었습니다. 일부 초기 연구에서는 이론적 또는 실험적 방법을 사용하여 적층형 X 접합의 패킹에 대한 시퀀스 영향을 조사했지만 우리가 아는 한 움직이지 않는 HJ에 대한 체계적인 연구는 수행되지 않았습니다. 또한, 이온 농도와 HJ의 열린 형태에서 적층 형태로의 전이 사이의 관계는 잘 알려져 있습니다. 그러나 이온 결합 능력에 대한 순서 효과에 대한 연구는 제한적이므로 결정화 및 대칭에 영향을 미치는 구조적 매개변수의 설명이 탐사를 위한 바람직한 경로가 됩니다.