仅当DNA组装成目标结构时才发生选择性结合……实现基于氧杂宁的交联技术

无需外部催化剂或光能即可提高DNA纳米结构稳定性

 

高丽大学世宗校区（副校长 梁智雲）生命信息工程学系白胜弼（音）教授研究团队开发了一种新型DNA纳米结构交联技术。该技术能够在DNA组装成目标结构后，仅在特定位置形成选择性共价键，从而稳定固定DNA纳米结构。

 

本研究由高丽大学世宗校区生物信息工程学系李宰彦（音）博士和张义京（音）博士担任共同第一作者，白承弼（音）教授担任通讯作者并指导研究。

 

DNA能够根据碱基序列相互结合并自行组装成所需结构，因此被广泛应用于制造各种纳米结构和分子装置。然而，DNA链之间的结合基本上具有可逆性。当受到温度变化、变性条件或生物环境等因素影响时，已经形成的DNA结构可能再次解离。

 

为了克服这一局限，过去已有研究利用酶、外部催化剂或光能在DNA链之间形成共价键。然而，在复杂的DNA纳米结构中，反应位点可能难以接近，同时这些方法通常还需要额外的试剂或外部能量。

 

为解决上述问题，研究团队分别将DNA碱基衍生物氧杂宁（Oxanine，Oxa）和胺基引入不同的DNA链中，并进行结构设计，使其仅在DNA组装成目标结构、从而使两种反应基团彼此靠近时，选择性形成共价键。

 

研究团队将这一技术命名为“组装触发型氧杂宁—胺基连接”。该方法的特点是无需额外的外部试剂或光能，而是利用DNA自身的自组装过程诱导结合反应。

 

研究结果显示，该连接方式能够在包括双链（duplex）、Y型（Y-shape）和T-motif在内的不同DNA纳米结构中稳定形成。在双链结构中，交联效率最高达到87%；在Y型结构中，交联效率分别达到67%和55%。

 

尤其值得注意的是，当DNA彼此结合并使反应基团相互靠近时，氧杂宁与胺基之间反应的有效摩尔浓度约为单体水平反应的1.4万倍。这表明，DNA结构自身的形成过程能够有效促进两个反应基团之间的结合。

 

研究团队还采用了在同一条DNA链上同时配置相互对应的氧杂宁和胺基的设计。通过这一设计，当一条DNA链吸引新的DNA链后，可以连续形成下一步共价键，实现连续连接。研究团队进一步确认了最多连接4个T型基序单元的结构扩展。

 

这一成果的特点在于，实现了传统点击化学方法较难实现的连续DNA结构扩展。

 

新开发的交联技术还显著提高了DNA纳米结构的稳定性。在使用相同剂量的外部抑制剂进行处理后，形成交联结构的T型基序仍保持初始结构的81.2%，而普通未交联的T型基序结构仅保持19.2%。

 

此次研究的核心创新在于，研究团队并非单纯利用氧杂宁的化学反应性来连接DNA，而是将DNA自身的自组装过程作为反应的 “开关”。也就是说，只有当DNA准确组装成目标结构、使反应基团彼此靠近时，才会形成共价键，从而能够减少不必要的副反应。

 

白承弼（音）教授表示：“通过将基于氧杂宁与胺基空间邻近性的反应与DNA自组装过程相结合，我们提出了一种能够在目标位置选择性形成共价键的方法。同时，通过在同一条DNA链上设置相互对应的反应基团，我们也确认了将结构进一步扩展为高阶DNA结构的可能性。”

 

这项新技术未来有望应用于DNA纳米技术的多个领域，包括DNA折纸（DNA origami）结构的稳定化、DNA水凝胶强化、DNA–纳米颗粒组装，以及链环（catenane）、轮烷（rotaxane）等复杂DNA结构的稳定化。

 

相关研究成果于2026年6月正式发表于分子生物学领域国际学术期刊《核酸研究》。

该期刊影响因子为15.0，在生物化学与分子生物学领域排名前4%。

 

论文题目为《通过组装触发型氧杂宁与胺基连接实现DNA纳米结构的稳定及可编程构建》。

 

本研究由韩国研究财团科学技术信息通信部支持项目（NRF-2021R1A5A8032895、NRF-2021R1A2C2011564）以及高丽大学支持完成。

 

高丽大学世宗校区宣传集资部

                                                                                        翻译：赵炫怡