DNA纳米笼诱导类病毒组装体的构建及应用

Construction of artificial assembles as mimics of life has attracted scientists for decades, as it may reveal the origin and the evolution of life. Though great achievement has been reached in functional biomaterial’s building, the mimics of the simplest life, virus, is still remain stagnant. In our project, a novel strategy was developed to construct an artificial virus with 3D DNA nanostructure, i.e. 3D DNA nanocage, as the template to assemble the capsid protein on its surface via frame-guided strategy and electrostatic interaction. The co-assembly nanostructure provide us the platform for investigating new materials, as well as the model to study interaction between nucleic acid and protein during virus formation: the complexity and rigid of DNA nanocage has been proved as the excellent vector to introduce fluorescent and quenchable units at desired site of the cage, forming a fluorescence resonance energy transfer (FRET) system, which provide us the platform to investigate the mechanism and kinetics of DNA packing inside the virus. The aim of our proposal is to develop an artificial virus mimics constituted of 3D DNA nanocage and capsid protein, and investigate its application in studying biomacromolecules’ interaction.

构建可以模拟生命行为的分子组装结构对研究生命的起源和进化具有重要意义，也是人们研究自组装的终极目的之一。本项目拟发展一类构建类病毒组装体的方法，以三维DNA纳米笼作为模板，诱导植物病毒衣壳蛋白在其表面组装形成类病毒组装体。我们将通过调节DNA纳米笼的尺寸和空间构型，以及植物衣壳蛋白的种类和组装浓度，来实现不同构型组装体的制备，并以此为基础考察DNA高级结构对病毒衣壳蛋白组装行为的影响。同时，我们将以该类病毒组装体作为模型，通过透射电镜、圆二色谱以及荧光共振能量转移等表征手段，研究衣壳蛋白组装体对DNA纳米笼空间结构的压缩行为，进而阐述病毒形成过程中原壳体对遗传物质的压缩过程。该项目旨在发展一类构建人工类病毒组装体的构建方法，为研究生物大分子间相互作用以及新型基因载体的设计提供实验基础和理论依据。

对天然核酸进行结构上的化学修饰对于开发新型核酸类药物、设计高效核酸探针以及构建核酸基材料均具有重要的理论指导和现实意义。在该项目的实施过程中，我们从分子设计角度出发，对核酸结构中的端基修饰、糖环构型、磷酸二酯键的改构以及碱基官能化进行了较为系统的研究，初步探索了核酸中单元结构的修饰对于核酸二级结构基本物理化学性质的影响。我们首先考察了端基疏水修饰对于核酸二级结构稳定性的影响，通过熔点和等温量热滴定定量研究了疏水作用力对于核酸四链结构稳定性的增强作用，证实疏水作用力可以有效增加分子间四链核酸结构的稳定性。. 随后我们考察了糖环构型对于核酸二级结构稳定性的影响，证实将天然DNA中的D-型脱氧戊糖环替换为L-型脱氧戊糖环对于核酸二级结构的热力学和动力学没有明显影响。同时我们观察到，在受限组装体系中，D-构型核苷合一有效识别L-构型核苷，该发现对于开发新型核酸类药物具有重要指导意义。. 我们进一步考察了将DNA中磷酸二酯键替换为丁二酰胺的影响，证实该类改构对于核酸二级结构形成没有明显影响，但是显著提高了双链DNA对于错配碱基的识别能力，为开发新型核酸探针提供了新的研究方向。. 最后，我们设计了光可降解的亚磷酰胺核苷单体，并以此为基础构建了光可降解DNA，考察了光敏DNA在构建多波段响应DNA超分子聚合材料中的应用，为设计时空多层次响应DNA材料进行了大胆探讨。