JACS Au | 疏水性金纳米团簇高效制备核酸凝聚体

英文原题：Noncanonical Condensation of Nucleic Acid Chains by Hydrophobic Gold Nanocrystals

通讯作者：沈建磊 上海交通大学，陈静 上海大学

作者：Yu Li, Haoran Zheng, Hui Lu, Mulin Duan, Cong Li, Mingqiang Li, Jiang Li, Lihua Wang, Qian Li, Jing Chen*, and Jianlei Shen*

成果简介

核酸凝聚体在各种生物过程扮演至关重要的作用，其在核酸纳米技术、基因治疗和mRNA疫苗研究中有着广泛的应用。然而，不用于细胞内凝缩蛋白介导的核酸高效凝缩，体外的核酸凝缩效率仍有待提高。基于此，上海交大大学樊春海院士、沈建磊副教授团队和上海大学陈静副教授共同提出一种疏水相互作用驱动的核酸凝缩机制，利用原子精确的疏水金纳米簇(Au NCs)实现了长链核酸的高效凝聚。该研究发现，疏水性金纳米团簇可以凝聚长单链DNA或RNA形成球形纳米复合物。在过量Au NCs存在的情况下，这些复合物进一步组装成念珠状超结构。多级自组装核酸凝缩体表现出类凝胶的物理行为，Au NCs可以在凝聚体中扩散运动，这一现象类似于染色体内凝聚蛋白复合物的群体运动行为。Au NCs在凝缩体的运动行为归因于团簇疏水配体和碱基之间的动态疏水相互作用，其有利于利用温和触发剂诱导核酸的可逆释放。区别于传统基于静电中和的核酸凝缩策略，该技术为构建动态可逆变化的核酸凝缩体提供了一种新方法（图1）。

研究背景

核酸是两亲性的聚电解质，在生物应用中需要凝聚或折叠以提升其稳定性，从而有助于其递送和功能化。目前的核酸凝聚机制主要依赖于带正电的反离子和带负电的磷酸主链之间的静电中和作用。然而，使用高浓度的多价反离子会限制核酸凝聚物的适用性，例如高浓度镁离子会抑制酶的活性。探索基于新凝缩机制的凝聚剂具有重要意义。

核酸的两亲性在编程分子间相互作用方面引起了人们的广泛关注，并在核酸识别、自组装、界面吸附、催化、和序列调节的液-液相分离等方面取得了重要应用。为了获得高效的凝聚剂，之前有研究指出在阳离子聚合物中引入烷基链，通过协调阳离子聚合物、核碱基和磷酸盐骨架之间的静电和疏水相互作用来提高DNA凝聚物的热稳定性。此外，最近的研究表明，纯核碱基之间的疏水相互作用可以驱动单链DNA (ssDNA)的分层自组装，并导致相分离。然而，在这些研究体系中仍然中需要加入特定的多价阳离子或引入温度控制。开发一种基于疏水相互作用的核酸凝聚剂仍然存在挑战。

本文亮点

上海交通大学樊春海院士、沈建磊副教授团队和上海大学陈静副教授报道了一种在没有反离子的情况下使用原子精确疏水金纳米团簇凝聚长核酸链的策略。该文章使用了具有发光特性的Au8纳米团簇([Au8(dppp)4(C≡CC6H5)2](NO3)2)，通过疏水性Au NCs与碱基之间的多价疏水相互作用可以将单链核酸凝聚成凝聚体（图2）。

该文章利用低温电子显微镜研究了环状ssDNA的凝聚过程。在金纳米粒的摩尔比较低的情况下，Au NCs首先附着在ssDNA支架上。随后， Au NCs将长距离核苷酸桥接在一起，导致纳米结构的局部收缩，形成环结构。进一步增加Au NCs导致高度致密的DNA凝聚物呈球形。在过量Au NCs存在的情况下，球形DNA凝聚物发生颗粒间凝聚，形成各种高级结构，电镜拍摄过程中捕获的粒子间凝聚的中间态结构预示了疏水性Au NCs在DNA凝聚体中的运动行为（图3b）。

为了研究疏水Au NCs在DNA凝聚物中的运动行为，该文章选择了微米尺度的粒子间凝聚物进行光漂白荧光恢复（FRAP）分析。FRAP研究显示，在光漂白区域内，Au NC的荧光信号恢复迅速且完全，表明DNA凝聚物具有类似凝胶的行为。这一现象类似于凝缩蛋白在染色体内的运动行为。之前的研究揭示凝缩蛋白复合体可以像化学马达一样沿着DNA运动（图4）。

最后，该文章测试了凝聚物中ssDNA的可逆释放。通过一种温和的方法（加入正丁醇溶液）来打破Au NCs和ssDNA之间的疏水弱相互作用，可以高效的从DNA凝聚物中提取Au NCs。通过溶液的颜色变化、水合粒径AFM和TEM图像表征，表明水溶液中Au NCs被成功萃取到有机相。这些结果表明，Au NCs和ssDNA之间的疏水相互作用可以被可逆的破坏，从而实现ssDNA或mRNA的释放（图5）。

总结与展望

在该工作，该团队报道了一种非经典的核酸凝缩策略，通过使用原子精确的疏水性Au NCs来凝聚单链核酸。与基于电荷中和的凝聚机制相比，疏水相互作用驱动的凝聚过程中不需要反离子，可以有利于核酸凝聚体在各种生物环境中的应用。总的来说，这种新的核酸凝聚策略在构建无膜生物凝聚体，核酸纳米技术、基因递送和mRNA疫苗等方面具有显著的应用潜力。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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