《自然》子刊：用DNA制造出全世界最小的納米天線

就像一個可以接收和發射無線電波的雙向無線電一樣，科學家設計了一種長5nm的熒光納米天線。它可以接收一種顏色的光，并根據所感知的蛋白質運動，以另一種顏色反射回來，最后被檢測到。納米天線的主要創新之一是天線的接收器部分（下圖亮綠色），可通過感應分子間相互作用，來研究蛋白質的分子表面。

▲DNA納米天線（圖片來源：Caitlin Monney）

加拿大蒙特利爾大學Alexis Vallée-Bélisle教授研究團隊將這一研究成果在線發表在《自然·方法》上。這種納米天線提供了一種監測蛋白質構象變化的新方法，有助于更好地理解自然的和人類設計的納米技術。

40 多年前，科學家發明了第一臺 DNA 合成器來制造編碼遺傳信息的分子。近年來，化學家們已經意識到，DNA也可以用于構建各種納米結構和納米機器。

了解蛋白質結構動力學和功能之間的關系對于基礎研究和生物技術都至關重要。然而，研究蛋白質瞬態仍然是一項重大挑戰，因為現有的測定結構的高分辨率技術，包括核磁共振和 X 射線晶體學，通常不能直接用來研究短壽命的蛋白質狀態。

目前，其他檢測技術只能監測到較大的構象，或者需要復雜的化學設計。如果想要檢測到某些蛋白質在發揮酶催化等功能過程中發生的微小構象變化，則需要設計一種更為敏感的策略。

這次，研究團隊利用非共價染料-蛋白質相互作用，成功設計出這樣一種稱為熒光納米天線的多功能工具。

在這項研究中，研究人員選擇牛小腸堿性磷酸酶（AP）作為模型蛋白，來驗證納米天線是否可以檢測蛋白質活性。

AP在預防炎癥、促進共生微生物群的生長、調節pH值、激活前藥和基礎生物物理學研究方面具有重要作用。研究AP的功能通常需要合成底物來提供信號，然而AP的生物分子底物，例如三磷酸核苷酸在光譜上是沉默的，對于生物分子尚無合適的實時分析方法。

▲熒光納米天線示意圖（圖片來源：參考資料[1]）

在分子設計上，研究人員通過高度程序化的亞磷酰胺化學方法，合成了由DNA和聚乙二醇（PEG）組成的納米天線。它一端含有熒光染料，例如熒光素（FAM），另一端含有生物素（上圖，Start）。

首先，生物素和鏈霉親和素（SA）通過非共價相互作用，使得納米天線能夠快速連接到生物素標記的蛋白質上，這時可以觀察到FAM 熒光減少或猝滅（Step 1）。

接下來，研究團隊添加模型蛋白：生物素化的小牛腸堿性磷酸酶（bAP）。FAM從SA中釋放，導致熒光信號增強（Step 2）。

最后，在添加AP底物后，納米天線會產生瞬態熒光“尖峰”，這種獨特的信號能夠實時體現酶與底物結合的瞬時狀態（Step 3）。

此外，研究人員發現，利用DNA化學相對簡單且程序化的優勢，可通過調整連接臂的長度和選擇不同的染料分子，得到具有理想性能的納米天線。納米天線可用于表征酶的動力學機制，可檢測并描述腸道堿性磷酸酶的五個不同構象狀態。

研究人員還用另一種模型蛋白（G蛋白）及其與抗體的相互作用探討了納米天線策略的普遍性，并展示了一種尋找高效的納米天線的快速篩選方法。

▲快速篩選G蛋白納米天線的策略 （圖片來源：參考資料[1]）

在這項研究中，作者利用納米天線，首次實時檢測到堿性磷酸酶與一系列生物分子和藥物的相互作用。納米天線可幫助我們了解我們身體中天然的納米機器是如何發揮作用，或發生故障從而導致疾病的。更重要的是，這種新方法還可以幫助科學家發現有前途的新藥，并指導納米工程師開發納米機器。

注：原文有刪減

參考資料

[1] Scott G. Harroun et al., (2022) Monitoring protein conformational changes using fluorescent nanoantennas. Nature Methods. Doi:10.1038/s41592-021-01355-5

[2] Chemists use DNA to build the world’s tiniest antenna. Retrieved Jan. 11, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/939627