L'influenza della sequenza e della dinamica della giunzione di Holliday sul sé cristallino del DNA

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3112 (2022) Citare questo articolo

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La sintesi programmabile di architetture cristalline progettate razionalmente per la disposizione precisa delle specie molecolari è un obiettivo fondamentale della nanotecnologia e il DNA è diventato una delle molecole più importanti per la costruzione di questi materiali. In particolare, le giunzioni ramificate del DNA sono state utilizzate come elemento centrale per l'assemblaggio di reticoli 3D. Qui, la cristallografia viene utilizzata per sondare l'effetto di tutte le 36 sequenze immobili di giunzioni di Holliday sui cristalli di DNA autoassemblanti. Contrariamente al paradigma stabilito nel campo, la maggior parte delle giunzioni produce cristalli, alcune delle quali migliorano la risoluzione o danno luogo a simmetrie cristalline uniche. Inaspettatamente, anche la sequenza adiacente alla giunzione ha un effetto significativo sugli assemblaggi cristallini. Sei delle sequenze di giunzioni immobili sono completamente resistenti alla cristallizzazione e quindi ritenute "fatali", e le simulazioni di dinamica molecolare rivelano che queste giunzioni invariabilmente mancano di due siti di legame ionico discreti che sono fondamentali per la formazione dei cristalli. Le strutture e le dinamiche qui descritte potrebbero essere utilizzate per informare i progetti futuri sia dei cristalli che delle nanostrutture del DNA in modo più ampio e avere potenziali implicazioni per l'ingegneria molecolare della nanoelettronica applicata, della nanofotonica e della catalisi nel contesto cristallino.

La fabbricazione di architetture 3D basate sul DNA altamente personalizzabili per l'organizzazione precisa di materiali su scala nanometrica è stata originariamente concettualizzata da Seeman nel 19821. Sono state sviluppate una varietà di metodologie che consentono l'autoassemblaggio programmabile, compreso il collegamento di linker del DNA alla nanoparticella ( NP) superfici2,3 per la costruzione di reticoli 3D con configurazioni di cristalli colloidali NP definite dall'utente4,5,6,7,8. Con l'avvento degli origami di DNA9, sono stati descritti superreticoli 3D di forme di cluster di nanoparticelle10,11 insieme a reticoli di origami 3D che mostrano geometrie personalizzabili per ospitare specie ospiti12. È stato anche dimostrato che cristalli progettati razionalmente basati sul motivo della "tensegrità"13 che si autoassemblano con punti di incrocio di giunzione a quattro bracci progettati e coesione "estremità appiccicosa" possono essere convertiti in nanodispositivi14. Recentemente, sono stati segnalati diversi motivi unici con simmetrie cristalline distintive, risoluzione migliorata e, in un caso, una sequenza nucleotidica di giunzione unica15,16,17,18.

L'applicazione delle giunzioni a quattro vie per i cristalli di DNA 3D è stata ispirata dalla ricombinazione genetica, per cui viene creato un intermedio ramificato instabile chiamato giunzione di Holliday (HJ) che successivamente subisce una riconfigurazione dinamica per facilitare la ricombinazione durante la divisione cellulare19. Le giunzioni festive sono state ampiamente caratterizzate dal punto di vista strutturale20,21,22,23,24,25,26,27,28,29, e sono emerse come un motivo chiave per assemblaggi e dispositivi su scala nanometrica progettati razionalmente nella nanotecnologia del DNA strutturale1,30 Gli HJ presenti in natura possono " slide" e modificare la lunghezza delle braccia31,32, un processo noto come migrazione dei rami33. L'introduzione di sequenze asimmetriche nel punto di ramificazione, tuttavia, immobilizza efficacemente la giunzione e ne consente l'utilizzo nella costruzione di nanostrutture ben definite34. Sebbene siano state impiegate diverse giunzioni multi-ramo35,36,37,38,39,40,41, l'HJ a quattro rami rimane il più popolare.

Teoricamente, ci sono 36 combinazioni di coppie di basi di sequenze immobili. "J1" è stato il primo ad essere progettato42,43 ed è stato utilizzato quasi esclusivamente nella costruzione di cristalli 3D autoassemblati13,15,16,17 con un'unica eccezione in cui è stato utilizzato "J10"18. Alcuni dei primi lavori hanno esplorato l'influenza della sequenza sull'impaccamento delle giunzioni X impilate utilizzando metodi teorici44,45 o sperimentali46,47, ma a nostra conoscenza non è stato eseguito alcuno studio sistematico degli HJ immobili. Inoltre, è ben nota la relazione tra la concentrazione ionica e la transizione dell'HJ dalla conformazione aperta a quella impilata20,25,48,49,50,51; tuttavia, gli studi sugli effetti di sequenza sulla capacità di legare gli ioni sono limitati, rendendo la delucidazione dei parametri strutturali che influenzano la cristallizzazione e la simmetria un percorso desiderabile per l'esplorazione.