在核酸螺旋结构上组装功能基来模拟生物大分子

在简单可控的载体结构上模拟生物大分子，一直是研究大分子的结构与功能关系以及探讨其相互作用的重要途径。本项目首次提出以DNA螺旋结构为通用骨架，在其上组装化学功能基来模拟大分子活性区域，这一骨架的优势在于功能基引入位点精确可控，多功能基可自由组装等。本项目以模拟水解酶为工作切入点，借助计算机设计和动力学模拟，在核苷水平化学合成引入咪唑、羟基、羧基等水解酶活性区域的化学功能基，通过序列合成，碱基配对，再从简到繁，逐步在螺旋中组装多个／种功能基，探讨他们的协同作用和最佳组合方式，考察离子种类，底物浓度，环境pH值等影响因素，综合评价新功能分子的作用机制。使用Tm值，CD谱等试验考察高级结构稳定性，使用紫外监测对硝基酚酯类底物水解速率。通过这些实验，本课题旨在验证核酸结构用于大分子模拟的可行性和科学性，同时，探讨通过功能基引入而赋予了蛋白质功能的新核酸分子的潜在开发用途。

认识生物大分子的作用机制，研究生物大分子之间以及它们与小分子之间的相互作用，有助于认识他们如何调控正常的生理活动，阐明疾病的发病机理。这一领域中一个重要的研究方面是对大分子的功能进行模拟，即对其功能区域的结构展开模拟。本项目选择核酸螺旋为骨架，在其结构上引入蛋白质功能区的化学功能基，利用核酸高级结构的自组装，通过适当的位点组合和连接臂调整，来模拟出局部与蛋白质功能区域类似的三维空间结构，期望产生相似的生物学功能。本研究一共开展了针对4种酶和底物的模拟工作：1）以蛋白水解酶为模拟对象，针对对硝基酚乙酸酯为底物；2）以磷酸酯酶为模拟对象，水解对硝基酚磷酸酯底物；3）模拟天冬酰胺类酶，水解肽类底物；4）模拟核酸酶，以RNA为底物。其中，在针对蛋白水解酶和磷酸酯酶为模拟对象的这两部分工作中，取得了重要结果。模型LK-JC-02将乙酸对硝基酚酯（PNPA）的水解速率提高123倍（kcat/ kuncat= 123），并且表现出一系列类似天然酶的典型特征。模型G4-23将底物2-羟丙基-4-硝基酚酯（HPNP）的磷酸酯转移反应速率提高三个数量级（kcat/ kuncat=2590），同样也表现出类似天然酶的一系列典型特征。这些结果提示，在核酸螺旋结构上合理地设计催化元素，通过它们之间的协同作用，可以实现特定酶的功能模拟。DNA作为一种优秀的自组装分子，为生物大分子模拟研究，提供了全新的分子骨架体系。