憑借著序列互補這一獨特的性質，核酸分子在眾多生物大分子當中脫穎而出，成為合成生物學中的研究熱點之一。以DNA為例，DNA分子中的四種組成A、T、C、G之間有著嚴格的匹配規則——Watson-Crick堿基互補配對（A與T配對，C與G配對）。這種堿基之間的匹配規則進而造成了堿基序列與堿基序列之間的特異性識別，即序列互補。對于任意一條DNA單鏈而言，其互補鏈的序列是明確且唯一的；錯誤匹配的序列會使降低兩條鏈之間的結合速率，并使得最終形成的雙螺旋結構的穩定性大大降低。基于DNA序列間的特異性識別，科研人員已經大大拓展了對DNA的研究，不再單一地將其作為遺傳信息的載體，更是將其用作分子探針和分子機器人，使DNA分子在諸如藥物遞送、生物計算、疾病診斷、超分辨成像等眾多領域顯現出極其可觀的應用前景。與此同時，在DNA納米結構設計的不斷探索中，人們對結構的復雜性、靈活性及功能化等方面的認識愈漸深入， 相關設計理念和設計經驗得以不斷的積累和豐富。
在DNA納米結構領域中，研究人員一般通過設計粘性末端（sticky ends）來實現結構之間的識別。這些人工設計的粘性末端有著特定的長度和序列，只有序列互補的兩個粘性末端之間才會形成完美的識別，從而引導DNA納米結構的靜態或動態組裝。理論上長度為N（堿基數）的粘性末端可以形成4N種序列 。但是在實際設計中，粘性末端的長度和序列通常會受到一定的限制，使得最終的特異性序列的種類大大指數性降低。例如對四種堿基來說，長度為2 堿基的粘性末端只能形成42=16種互補對，長度為1 堿基的粘性末端只能形成41=4種互補對。如何在實際設計中優化和提升粘性末端之間的識別能力已經成為DNA分子研究的一大重點。
在本研究中，作者從中國傳統木工藝的榫卯結構中獲得靈感，設計了全新的DNA粘性末端之間的識別方式——依賴幾何構型的特異性識別。與依賴序列互補配對的識別方式不同，這種識別方式完全不依賴于序列的多樣性，而是基于DNA雙螺旋結構的多種幾何構型之間的形狀契合而實現的。作者展示了即便在最極端的設計情景——粘性末端長度僅為1堿基且堿基種類只有C-G配對的情況下，依然可以實現將僅有的1種互補對提升為至少10種互補對，顯著地提高了DNA粘性末端之間的識別能力。
作者以簡單的四臂分支型DNA納米結構為模板，對其分支處的粘性末端進行設計優化，通過插入特定數量的堿基對使粘性末端的成鍵界面呈現出多種不同的幾何構型。只有當兩個末端相連使整體的幾何構型滿足B型DNA的螺旋參數時，才會發生結合，否則這兩個末端不能發生穩定結合。利用四臂分支型DNA納米結構的二維自組裝結果來驗證和分析依賴幾何構型的特異性識別方式的可行性。隨后利用這種識別方式成功地實現了與設計預期嚴格相符的多種多樣的二維及三維組裝。
本研究拓展了DNA粘性末端的識別方式，建立了新的成鍵機制和調控方法，提升了DNA分子之間的識別能力，對今后高靈敏度、高精度DNA分子探針及分子機器的設計和應用具有重要的意義。
該研究成果由清華大學生命學院魏迪明分子設計課題組（MADlab）完成，論文題為“基于分子之間的幾何構型識別方式設計特異的DNA粘性末端”（Design of orthogonal DNA sticky end cohesion based on configuration-specific molecular recognition），于2022年9月30日發表于《美國化學學會志》（Journal of the American Chemical Society）。清華大學生命科學學院2017級博士生張天晴為本文的第一作者及共同通訊作者，從項目構思、具體實施到最后論文撰寫其全程基本獨立完成，另一共同通訊作者為清華大學生命科學學院魏迪明副教授，在項目立意和寫作方面提供了協助。該研究得到科技部、清華-北大生命科學聯合中心等基金資助。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c07181