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用手工紙折出五顏六色的幸運星，一定是很多人年少時的美好記憶，可能一些讀者還收藏著一罐由重要的Ta折給自己的幸運星。
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今天，對於化學家而言，幸運星不僅僅可以用紙摺疊得到，也可以用分子摺疊獲得。隨著DNA納米技術的發展，這種由脫氧核糖核酸組成的聚合物對於化學家的意義早已不再僅僅是承載生命信息的密碼。編碼的重組以及空間結構的定向摺疊能夠賦予DNA很多神奇的性質，形成具有催化活性、識別特性、機械性能的DNA元件。將這些DNA元件互相組裝形成複雜的納米結構，將形成具有一定機械性能的納米機器。
近期，Nature Chemistry 上發表了一項由南京郵電大學與倫斯勒理工大學的研究者合作的研究論文，報導了一種由DNA片段利用鹼基互補配對相互摺疊，構成五角星形DNA納米結構的組裝策略，所得到的結構被稱為DNA納米星（DNA star）。這一DNA納米星中嵌入了可以識別登革熱病毒表面配體的適配體（Aptamer），使這一DNA納米星能夠在血液中高選擇性地與登革熱病毒結合，產生螢光信號用於檢測的同時，抑制病毒的活性，達到檢測與抑制病毒的雙重作用（筆者慨嘆，不知道這種技術有沒有希望用於解決如今新型冠狀病毒的快速、高靈敏度、高特異性檢測與抑制的難題）。
圖1. (a) 登革熱病毒表面ED3的分布規律；(b-d) DNA納米星的結構、構成方式、凝膠電泳、結構域。圖片來源：Nat. Chem.
對登革熱病毒表面的包膜蛋白結構域III（ED3）進行空間分布的解析發現，其在分布於五邊形的頂點上，可以用五角星的端點及內角覆蓋。基於這樣的分布特徵，研究人員設計了五角星型的DNA納米結構，其DNA雜交方法及構成步驟如圖X所示。凝膠電泳顯示，得益於精確控制的雜交過程，DNA納米星的構成率可以達到88.1%。該DNA納米星的內邊由五個亞穩態的莖-環結構組成，使其存在一定的可塑性。在特定的外在信號刺激下，能夠發生構象的變化使莖-環結構打開，導致DNA納米星五個角的角度變大。
在DNA納米星的結構中，星形內部柔性、二價的六邊形對於它的傳感特性具有重要的意義。該結構一方面為DNA納米星的結構穩定性提供支撐，另一方面也為其提供了構象的變化能力，從而產生傳感信號。很有趣的是，研究者發現DNA納米星中用來與ED3結合的適配體的分布位置，對於DNA納米星與登革熱病毒的結合具有很大的影響。研究者設計了結構相似的DNA納米五角星、六芒星、七角星等，其中只有五角星可以實現與ED3空間分布的一一對應。結果發現，六芒星、七角星等結構類似的DNA納米星雖然也能識別ED3，但是因為欠缺了空間結構上的特異性對應關係，在檢測登革熱病毒時根據螢光信號獲得的檢測靈敏度就會顯著下降。這一現象說明，根據目標物的空間分布規律，設計對應的DNA納米結構，對於構建納米傳感器具有重要意義。
圖2. DNA納米星與登革熱病毒結合後構象的變化以及螢光增強的原理。圖片來源：Nat. Chem.
更加神奇的結果在於，DNA納米星不僅能夠實現對登革熱病毒的檢測，還能對其產生抑制作用。DNA納米星對ED3的結合將會極大抑制病毒的複製，且抑制能力與結合能力密切相關。與檢測部分的結果相類似，DNA納米五角星因為所有位點均與ED3的分布具有空間對應性，對病毒的抑制能力也最強。而其它結構，諸如DNA納米六芒星、七角星，以及其它含有ED3的適配體元件，隨著空間匹配度的降低，對病毒的抑制能力也依次降低。該結果說明，在利用適配體實現對目標的結合或者抑制時，增加空間位置上的匹配度，將極大提高結合能力。
圖3. DNA納米六芒星的結構，以及其它DNA納米結構對登革熱病毒的抑制能力。圖片來源：Nat. Chem.
在文章的最後，作者也對設計與目標物具有空間對應性的DNA納米結構的策略進行了論述。主要有以下步驟：（1）選擇合適的連接物；（2）研究目標物的分布特徵；（3）設計DNA納米結構匹配目標物的分布特徵；（4）將連接物嵌入DNA納米結構中；（5）對識別模式進行調節，設計多種幾何結構進行識別。
圖4. 基於DNA納米結構對配體的空間對應性進行設計的方法。圖片來源：Nat. Chem.
該文章不僅創造了一種新型的DNA納米結構，將這種柔性可變的DNA納米骨架應用於病毒的檢測與抑制，更重要的是提出了一種提高已知配體對目標物的結合能力的策略。實際研究中，當確定了目標物後，用於實現結合的配體往往種類有限，結合能力很難提高。這種情況下，利用DNA納米結構對配體的空間位置進行操控，而實現提高對目標物的結合能力，對於分析檢測、醫藥研究等領域都有重要意義。可以預見在不遠的將來，這一技術可能會應用於細胞表面蛋白的檢測。
Designer DNA architecture offers precise and multivalent spatial pattern-recognition for viral sensing and inhibition
Paul S. Kwon, Shaokang Ren, Seok-Joon Kwon, Megan E. Kizer, Lili Kuo, Mo Xie, Dan Zhu, Feng Zhou, Fuming Zhang, Domyoung Kim, Keith Fraser, Laura D. Kramer, Nadrian C. Seeman, Jonathan S. Dordick, Robert J. Linhardt, Jie Chao, Xing Wang
Nat. Chem., 2020, 12, 26–35, DOI: 10.1038/s41557-019-0369-8
（本文由傳光簇供稿）