生物系统通过复杂的分子网络来进行信号转导和调节系统转化。因此自组装的复杂分子结构和动态行为进行广泛的研究。现在，DNA已成为结构纳米科学的一种强大材料。基于toehold介导的DNA链取代(DSD)可以在时间和空间上建立可重构的自主DNA纳米结构。然而，到目前为止，大多数DSD反应是通过动力学和热力学单向控制DNA杂交，虽然可以利用对等的toehold交换率实现可逆，但其系统重置非常困难，通常需要持续消耗辅助链并产生废物链。且这些瞬态DSD系统要么依赖于来自适配体的固定序列，要么局限于特定的化学修饰，很难实现多层DSD级联。因此迫切需要构建可自主重置行为的复杂的DSD级联反应。
成果简介最近，美因茨大学的AndreasWalther教授在《J.Am.Chem.Soc.》上发表了题为“Fuel-DrivenTransientDNAStrandDisplacementCircuitrywithSelf-ResettingFunction”的文章。作者利用ATP驱动共价固定增加toehold长度和局部浓度，使链位移反应产生偏差，同时限制性核酸内切酶消除这种偏差，从而重置整个系统。这种DSD系统的寿命和自适应动态稳定状态由ATP驱动的非平衡连接/限制控制。通过对DSD反应网络的toehold进行编程，可以实现ATP驱动的瞬态DSD级联。将瞬态过程的两个子系统结合起来，实现了更高水平的燃料驱动自动机DSD，其中输出的DNA链是彼此的输入链，限制诱导的双链DNA熔解会重置系统。从而可以通过ATP驱动实现瞬态的DSD自调行为。
图文解读图1化学燃料驱动的瞬态DSD电路。(a)ATP驱动的瞬态DSD电路概述。实验温度（Texp）=37.0oC，中间物(右)受BsaI限制的熔化温度(Tm)=30.8oC，3端用箭头标出。(b)ATP驱动DSD的自适应动态稳定状态特性，受两种酶动力学的调节。(c)两个子系统之间以ATP为燃料的反馈交换自动机的示意图。正向反应用实线表示，反向反应用虚线表示。
图2以ATP为燃料的输出1瞬态DSD。(a)ATP驱动的连接/限制耦合的酶促反应网络DSD示意图,实验温度（Texp）=37.0oC，中间物熔化温度(Tm)=34.0oC。(b)不同酶和ATP浓度的DSD随时间变化的琼脂糖凝胶电泳分析，(c)不同浓度的BsaI和ATP系统DSD的比例。T4DNA连接酶浓度为0.8WU。每个DNA种的浓度为10μM。
图3FRET监测ATP驱动瞬态DSD及其在胶体表面功能化中的应用。(a)带FRET对用于原位DSD读出的瞬态DSD的原理图。(b)在0.2UBsaI、6μMATP和每种DNA1μM的情况下，T4DNA连接酶浓度变化的荧光光谱图，发现T4DNA连接酶浓度提高可以增加DSD输出强度和反应速度。(c)在0.2UBsaI、6μMATP和0.8WUT4DNA连接酶的情况下，复合物1和BsaI浓度变化的荧光光谱图。发现复合物1浓度的增加和BsaI浓度的增加分别导致DSD产量的增加和ATP消耗的加快。(d,e)在2μMComplex1、0.8WUT4DNA连接酶和0.2UBsaI的情况下，不同ATP浓度下的荧光光谱图，阴影区域对应于重复测量的标准偏差。发现ATP浓度下降，瞬态DSD寿命下降，荧光值下降(f)由输出2瞬态DSD进行胶体功能化原理图。实验温度（Texp）=37.0oC，中间物熔化温度(Tm)=30.8oC。(g)利用2μMATP、2μM络合物1、0.8WUT4DNA连接酶和0.2U，通过瞬时DSD对胶体进行瞬态功能化的时间依赖性共焦图像。比例尺=5μm。(h)胶体的荧光强度随时间变化图。发现反应时，胶体被暂时点亮，在约1小时后有一个稳定的荧光，并随着时间的推移而衰减。
图4ATP驱动的瞬态DSD电路。(a)ATP驱动的DSD级联电路的分子机制示意图，实验温度（Texp）=37.0oC，中间物熔化温度(Tm)=30.8oC。(b)在0.1WUT4DNA连接酶、0.4UBsaI和6μMATP的情况下，不同激活剂(CIA)浓度下瞬态DSD的自适应动态稳定状态特性。(c)在2μMCIA、0.2WUT4DNA连接酶和0.4UBsaI的情况下，不同ATP浓度下瞬态DSD电路的寿命。
图5ATP驱动的瞬态自动机的反馈系统。(a,b)ATP驱动的自动机的示意图。实验温度（Texp）=37.0oC，中间物熔化温度(Tm)=31.4oC(左)，30.1oC(右)。(c,d)在6μMATP、0.8WUT4DNA连接酶和每种DNA1μM的情况下，不同输入3浓度下，自动机的荧光光谱图。
总结与展望总之，作者开发了ATP驱动的连接/限制网络与DSD反应网络的连接，该反应网络可以对ATP驱动的瞬时可逆DSD进行时间操控。其关键步骤依赖于ATP驱动的连接，通过暂时增加toehold长度和增加局部浓度，使链位移反应产生偏差。再通过限制性内切酶切割消除偏差，从而实现DSD的可逆性。这种策略为燃料驱动非平衡瞬态DSD以及DSD编程的自组装更复杂的系统行为开辟了一条新途径。重要的是，这种燃料驱动的瞬态DSD可以进一步与经典的toehold介导的DSD相结合，实现瞬态和自复位DSD电路，这是以前的DSD系统所不能实现的。此外，这种燃料驱动的瞬态DSD策略可以发展为编程ATP驱动的自动机，它使用两个相互通信的ATP驱动DSD子系统，通过彼此相反的输出/输入对交换信息，在DNA计算和信息处理设备中显示出巨大的潜力。
团队介绍教育背景:
年毕业于德国拜罗伊特大学，获得Janus粒子的博士学位，并在芬兰阿尔托大学攻读博士后，重点研究仿生混合材料。年在德国亚琛工业大学莱布尼茨互动材料研究所成立独立研究小组，年被任命为德国弗莱堡大学教授。年被任命为美因茨大学化学系高分子材料和系统教授。
研究方向：生物基复合材料，高分子仿生复合材料，机械发光材料，功能性水凝胶，DNA动态自组装。
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