樊春海院士团队在DNA杂交动力学过程中的长程静电作用调控研究上取得进展

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生物大分子之间的静电相互作用一般被认为是短程的。由于在生理条件高离子强度（百毫摩尔级）下，大分子表面存在双电层屏蔽，使静电相互作用的传导距离局限在1-2 nm内。如何调控双电层厚度来对生物大分子相互作用中的长程静电力开展研究是一个挑战性问题。近年来，一些研究表明，DNA双链的磷酸骨架可以作为高效的电荷传导线路，为研究高离子强度下的长程静电作用提供了新的思路。
       受此启发，上海交通大学樊春海院士团队的刘小果副教授指导渠志倍博士等设计了基于DNA框架结构的长程静电作用调控体系，构建了DNA杂交动力学的有效调控新方法。通过定量实验和多尺度的分子动力学模拟，证明了在DNA杂交的动力学过程中存在长程静电力并起到了主导作用。该机制还被拓展到了DNA-蛋白质、DNA-多糖等多种复合物体系中，证明了其普适性。该工作以“DNA framework‐engineered long‐range electrostatic interactions for DNA hybridization reactions”为题，于2021年5月在线发表于Angewandte Chemie International Edition。渠志倍、张祎男为共同第一作者，刘小果为通讯作者。

不同净电荷DNA四面体框架通过长程库仑力调控DNA双链杂交动力学

荧光能量共振转移（FRET）模型用于定量追踪DNA杂交动力学反应过程

       该工作将带不同表面电荷的蛋白质颗粒或金纳米粒子通过共价偶联的方式包裹入DNA四面体框架结构中。进一步研究了净电荷大小对四面体框架核酸上外延DNA单链的杂交动力学过程的影响，发现该体系可以实现对单链与互补链杂交反应速率的有效调控。该调控机制是通过四面体框架核酸净电荷的斥力，影响外延DNA单链的伸展长度，产生差异化的互补链进攻位阻，进而影响反应动力学过程。本工作发现了长程静电作用力在超越短程反应界面范围下的动力学调控机制，有助于加深对生物大分子复合物中长程作用力的理解，也对基因调控、核酸探针设计和DNA反应网络的构建有潜在指导意义。
       论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202106010


       文章来源：上海交通大学
       樊春海，上海交通大学教授，中国科学院院士。主要从事核酸分析化学、DNA纳米技术、生物光子学方面的研究。至今累计在Nature、Nature子刊等发表SCI论文300余篇（引用约3万次，H因子87）。已申请8项美国、国际专利和50余项中国专利。美国科学促进会会士(AAAS)、美国医学与生物工程院(AIMBE)、英国皇家化学会会士(RSC)、国际电化学学会会士(ISE)、全球高被引科学家、国家自然科学二等奖、上海市自然科学一等奖、美国化学会测量科学进展讲座奖、第十二届中国青年科技奖、中国科学院杰出青年科学家奖、国家万人计划领军人才、“百千万人才”国家级人选、中国分析测试协会科学技术奖一等奖、上海市领军人才等。
        刘小果，上海交通大学化学化工学院长聘教轨副教授、博士生导师。2008年本科毕业于吉林大学材料科学与工程学院；2013年博士毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所；之后在中国科学院上海应用物理研究所担任博士后及助理研究员开展科研工作；2018年10月加入上海交通大学。他长期致力于DNA结构纳米技术和仿生矿化的基础及前沿研究领域，开展了系列深入的研究工作。特别的，他提出了基于DNA自组装框架结构的精确仿生矿化策略，这一方法突破了传统有机软模板对无机组分的几何结构限制，实现了从1维到3维的复杂仿生复合结构制备，为生命分析化学提供了新工具。迄今共发表论文30篇；其中以第一/通讯（含共同）作者身份在Nature、 Nat. Protoc.、 Nat. Commun.、 J. Am. Chem. Soc.、 Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表论文13篇；研究成果被Nature，新华社以及其他新闻媒体报道。