형태의 출현: DNA 나노기술의 지평을 확장하는 새로운 연구

형태의 출현: DNA 나노기술의 지평을 확장하는 새로운 연구
날짜:
2022년 6월 29일
원천:
애리조나 주립대학교
요약:
연구원들은 많은 DNA 나노 형태의 제작에 사용되는 기본 빌딩 블록을 탐구합니다. 홀리데이 접합(Holliday junction)으로 알려진 이 이중 가닥 DNA 세그먼트의 연결은 나노미터 규모(또는 사람 머리카락 너비의 약 1/75,000)에서 정교한 자가 조립 결정 격자를 형성하는 데 사용되었습니다.

생체 분자의 세계에서 DNA보다 더 상징적이거나 다재다능한 것은 없습니다. Nature는 유명한 이중 나선을 사용하여 모든 생명체의 청사진을 저장하고 4글자의 뉴클레오티드 알파벳을 사용합니다.

DNA 나노기술 분야의 연구원들은 자연이 이 유전적 원료에서 만들어낸 무궁무진해 보이는 다양한 생명체에서 영감을 받았습니다. 이 분야는 자연의 창조적인 기업을 모방하고 자연이 창조한 것 이상으로 DNA 아키텍처의 가능성을 확장하려고 합니다.

새로운 연구에서 Hao Yan과 그의 동료 Nicholas Stephanopoulos와 Petr Sulc는 많은 DNA 나노 형태의 제작에 사용되는 기본 빌딩 블록을 탐구합니다. 홀리데이 접합(Holliday junction)으로 알려진 이 이중 가닥 DNA 세그먼트의 연결은 나노미터 규모(또는 사람 머리카락 너비의 약 1/ 75,000 )에서 정교한 자가 조립 결정 격자를 형성하는 데 사용되었습니다.

"구조 DNA 나노기술의 원래 비전은 DNA 접합부가 있는 자가 조립 3D 결정을 합리적으로 설계하는 것이었습니다."라고 Yan이 말했습니다. "이 목적에 사용된 기본적인 구조적 모티프는 Holliday 접합 부분을 기반으로 했습니다."

구조는 1964년에 처음 존재를 제안한 분자 생물학자인 Robin Holliday의 이름을 따왔습니다. Holliday 접합은 자연에서 필수적인 역할을 하며, 여기서 Holliday 접합은 생명체에서 새로운 유전적 변이를 생성하는 원동력인 상동 재조합으로 알려진 과정에 관여합니다. 것들.

DNA 나노기술이 시작된 이후 이 분야는 DNA 구성 요소를 사용하여 복잡한 아름다움의 작은 구조를 설계하고 광자, 컴퓨터 저장, 바이오 센싱 및 조직 재생과 같은 다양한 분야에 응용되는 나노 규모 장치를 사용하여 놀라운 발전을 이루었습니다.

Yan 교수는 수레바퀴를 돌리는 나노로봇과 DNA 거미에서 암과 싸우는 탐색 및 파괴 장치에 이르기까지 수많은 유용한 나노구조적 형태를 설계하면서 이 분야의 급속한 변화의 최전선에 있었습니다.

새로운 연구는 Holliday 접합의 36가지 기본 변형의 특성을 설명하기 위해 결정학 기술을 사용합니다. 결과는 결정질 나노아키텍처의 구성을 위한 주어진 Holliday 접합의 효율성이 접합을 형성하는 4개의 뉴클레오티드 쌍의 배열뿐만 아니라 접합의 4개의 돌출 암을 형성하는 서열에 민감하게 의존한다는 것을 보여줍니다. 일부 DNA 서열은 이러한 형태의 결정화 과정을 향상시키는 역할을 하는 반면, 36개의 Holliday 접합 변이체 중 6개는 결정 형성 실패로 인해 "치명적"인 것으로 간주되었습니다.

Yan 교수는 BCMDB(Molecular Design and Biomimetics)를 위한 Biodesign 센터를 이끌고 ASU의 School of Molecular Sciences(SMS)에서 Milton D. Glick 특훈 교수직을 맡고 있습니다. Stephanopoulos와 Sulc는 BCMDB 및 SMS의 교수이기도 합니다.

Holliday 접합에 대한 최초의 체계적인 연구를 대표하는 연구 결과는 최근 Nature Communications 저널에 게재되었습니다.

DNA는 나노 스케일 구조를 설계하고 제작하는 데 이상적인 재료임이 입증되었습니다. DNA의 4개 뉴클레오티드 사이의 일관되고 예측 가능한 염기쌍의 특성은 적절하게 조작된 형태가 원하는 구조로 안정적으로 자가 조립되도록 합니다. 이를 위해 가장 인기 있고 유용한 것 중 하나가 Holliday 접합인 기본 DNA 빌딩 블록을 사용하여 다양한 정교한 나노 형태가 구성되었습니다. 반복되는 구조 단위로 구성된 DNA 결정체는 나노기술 응용 분야의 핵심 성분으로 다양하고 확장 가능한 디자인 기능을 제공합니다.

홀리데이 접합은 세포 감수 분열 과정에서 중간 단계로 자연에서 관찰됩니다. 이 변환의 결과는 모계 염색체와 부계 염색체 사이의 유전자 교환입니다. 상동 재조합으로 알려진 이 과정은 4단계로 발생합니다. (그림 참조.)

첫째, 한 쌍의 이중 가닥 DNA 나선이 서로 나란히 놓여 있습니다. 엔도뉴클레아제로 알려진 효소는 두 개의 이중 가닥 각각에 단일 가닥 파손을 일으킵니다. 가닥 침입으로 알려진 다음 단계는 각 단일 가닥 파손의 자유 끝이 함께 결합되어 원래 분리된 이중 가닥이 얽히게 할 때 발생합니다.

두 개의 분리된 DNA 이중 가닥을 함께 연결하는 이 십자형 구조가 홀리데이 접합입니다. 생물학적 과정에서 접합은 다른 효소가 두 가지 방법 중 하나로 Holliday 접합을 절단할 때 "해결"됩니다. 두 가지 방법 모두 Holliday 접합이 두 가지 방법 중 하나로 새로운 DNA 세그먼트를 도입했기 때문에 원래 가닥과 다른 두 개의 개별 DNA 가닥을 생성합니다. DNA 이중 가닥.

이러한 형태의 DNA 재조합은 매우 중요한 보편적인 생물학적 사건입니다. DNA 복구 메커니즘을 통해 게놈 무결성을 보존하는 동시에 새로운 가변성을 생성하는 동시에 유기체가 곧 진화의 막다른 골목에 도달하게 됩니다. 세포 분열 동안 DNA 데크를 뒤섞는 핵심 구조는 홀리데이 접합입니다.

Holliday 접합 모티프는 다양한 인공 DNA 구조를 위한 강력한 빌딩 블록으로 사용될 수 있다는 것이 나중에 언급되었습니다. 세포 분열 중에 발생하는 홀리데이 접합부가 DNA 길이를 따라 미끄러질 수 있지만 분기 이동으로 알려진 과정에서 DNA 나노구조를 구성하는 데 사용되는 접합부는 인접 서열이 상보적이지 않기 때문에 고정됩니다.

논문의 제1저자이자 이 연구에 X선 결정학을 적용한 수석 과학자인 Chad Simmons는 "첫 번째 움직이지 않는 홀리데이 접합은 1982년에 기술되었으며 이 시퀀스는 DNA 결정을 자가 조립하는 데 독점적으로 사용되었습니다. "우리 연구는 35개의 다른 가능한 고정 접합부를 조사하여 이 패러다임을 바꾸려고 했습니다. 결과적으로 우리는 견고하게 결정화하고 고해상도로 회절하는 능력 측면에서 이전 제품에 비해 우수한 성능을 제공하는 여러 서열을 식별할 수 있었습니다. 격자 배열의 대칭성을 제어할 수 있는 능력을 허용하기 위해 134개의 새로운 결정 구조를 생성하는 철저한 노력이 필요했습니다.

새로운 연구는 6개의 치명적인 접합 배열이 결정 형성과 양립할 수 없었음에도 불구하고 대부분의 Holliday 접합 변형이 자가 조립 결정을 생성한다는 것을 보여줍니다. 이러한 실패한 접합의 공통된 특징은 결정 형성에 필수적인 이온에 대한 두 개의 중요한 결합 부위가 없다는 것입니다.

"이 연구는 단일 뉴클레오티드 수준에서 이해할 수 있는 Holliday 접합 기하학의 미묘한 변화가 결정 조립 및 대칭에 얼마나 극적인 영향을 미칠 수 있는지를 보여주었기 때문에 매혹적이었습니다. 이것은 진정한 "분자 과학"이며, 궁극적으로 분자 수준에서 상호 작용을 조작하여 전례 없는 제어로 흥미로운 나노 물질을 생성할 수 있다고 Stephanopolous가 말했습니다.

"이 연구의 도전 과제 중 하나는 일부 Holliday 접합이 결정을 생성할 수 있지만 다른 접합은 그렇지 않은 이유를 결정하는 것이었습니다. 경험적으로 우리는 결정화되는 접합의 결정 구조를 연구할 수 있지만 그렇지 않습니다. 컴퓨터 화학이 필요했습니다."라고 Sulc는 말했습니다. "이를 위해 우리는 모든 Holliday 접합을 원자 분해능으로 시뮬레이션한 체코 과학 아카데미의 Miroslav Krepl 박사 및 Jiri Sponer 교수와 협력하여 치명적인 접합이 이온을 결합할 수 없다는 중요한 통찰력을 얻었습니다. 이 노력은 컴퓨터 모델링과 실험이 복잡한 현상을 함께 설명할 수 있는 훌륭한 예를 제공했습니다."

새로운 연구는 전자, 영상, 컴퓨터 과학 및 의학의 광범위한 응용 분야에 사용되는 나노 구조 및 나노 장치의 계속 증가하는 과잉에 추가될 새로운 형태의 설계 및 개발에 대한 귀중한 단서를 제공합니다.