DNA toehold链替换反应微观理解及速率调控机制研究

With its programmable behaviors and the property of base pairing in building molecular machine and realization of self-assembly, DNA molecule has found broad applications in the areas of DNA molecular computation, diagnosis of diseases and biosensors. DNA toehold-mediated strand displacement reactions are the bases of isothermal dynamic DNA nanotechnology, and have been systematically used to design complex autonomous behaviors. Currently, a complete understanding about the DNA toehold-mediated strand displacement reaction and its kinetics modulation is still missing. In the present proposal, using molecular dynamics simulations combined with free energy calculations and experiments, we suggest to: (1) investigate the detailed biophysical process of DNA toehold-mediated strand displacement reaction; (2) build a model for the rate constant of the strand displacement reactions at high concentration; (3) investigate the mechanism of reaction rate modulation using organic solvents; (4) study the competition behaviors between the enthalpy and entropy during the reaction. The expected results and conclusions will deepen our understanding of DNA toehold-mediated strand displacement reaction, and would contribute to its potential applications in DNA molecular computation, cellular process modulation through chemical reaction network, and so on.

由于DNA的碱基互补特性和可精确编程性，它可以作为反应基元用于分子机器构建及组装，并广泛应用于DNA分子计算、疾病诊治和生物传感等研究领域。DNA toehold链替换反应是DNA恒温纳米技术的基础。目前，人们对DNA toehold链替换反应的微观物理图像和速率调控机制缺乏深刻的了解。本项目将采用分子动力学模拟和自由能计算，结合实验方法，(1)系统研究DNA toehold链替换反应的链替换机制; (2)建立高浓度条件下链替换反应速率的理论计算模型; (3)考察有机小分子溶剂调控链替换反应速率的机制; (4)探讨链替换反应中焓和熵的竞争机制。本项目研究将加深我们对DNA toehold链替换反应的理解，为其反应速率的精确调控提供理论基础，为DNA恒温纳米技术在分子计算、化学反应网络调控细胞生理过程等领域的应用打下基础。

由于DNA的碱基互补特性和可精确编程性，它可以作为反应基元用于分子机器构建及DNA组装，并广泛应用于DNA分子计算、疾病诊治和生物传感等研究领域。DNA toehold链替换反应是DNA恒温动态纳米技术的基础。目前，人们对DNA toehold链替换反应的微观图像和速率调控机制缺乏深刻的了解。在本项目的支持下，我们基于理论模拟结合实验方法，系统讨论了DNA链替换反应的微观机制，阐述了DNA分子机器的泄漏反应的机制，提出了一种泄漏小，反应快，扩展性好的“组合底物”新策略，并应用于多输入反应线路构建。在理论的指导下，构建了多级DNA分子机器驱动的球形核酸聚集反应体系；并成功应用于单碱基突变检测。建立了pH调控DNA链替换反应驱动的球形核酸反应体系。同时，我们也探讨了短链DNA的刚性，我们提出了一种“中性”DNA异构体模型，通过对比正常DNA，指出DNA在短链尺度上偏离蠕虫链模型描述，阐明了这种偏离正是由于骨架静电排斥作用造成的。本项目研究成果加深了我们对DNA toehold链替换反应的理解，为其反应速率的精确调控提供理论基础，对基于链替换反应的DNA分子机器在分子计算、化学反应网络调控细胞生理过程等领域的应用具有指导意义。.项目执行期间，发表SCI论文16篇。其中，以第一作者和通讯作者在J. Am. Chem. Soc.（2篇）、J. Phys. Chem. Lett. （1篇）、Chem. Commun.（1篇）等国际重要期刊上发表论文12篇。 。