新發現！手性納米粒子可以對DNA選擇性剪切

　　在國家自然科學基金項目（項目編號：21522102，21631005）等資助下，江南大學匡華教授研究團隊率先發現手性納米粒子的DNA特異性剪切效應，并實現細胞與活體內靶標DNA的精確剪切。相關成果以“Site-Selective Photoinduced Cleavage and Profiling of DNA by Chiral Semiconductor Nanoparticles”（光誘導手性半導體納米粒子對DNA位點選擇性剪切）為題，于2018年7月20日在Nature Chemistry（《自然·化學》）上在線發表。

圖1.（a）L/D型半胱氨酸(Cys)修飾的碲化鎘（CdTe）納米粒子；（b）四種核苷酸堿基在切角四面體碲化鎘納米粒子表面的選擇性吸附位點；（c-d）偏振光照射下碲化鎘納米粒子對含有GATATC位點的三文魚DNA（1839bp）特異性剪切。

　　限制性內切酶可以識別特定的脫氧核苷酸序列，并對DNA特定部位的兩個脫氧核糖核苷酸之間的磷酸二酯鍵進行切割，被認為是自然界最精細的生物酶，是分子克隆技術的基石。該團隊利用手性配體L/D型半胱氨酸控制碲化鎘量子點的尺寸和形貌，得到了尺寸4.5nm、切角四面體構型的手性碲化鎘納米粒子。該手性納米粒子可特異性識別并結合雙鏈DNA中的GATATC片段，并在光的激發下，產生羥基自由基，使T堿基與A堿基之間的磷酸二酯鍵發生斷鍵，導致雙鏈DNA中GAT^ATC位點的特異性剪切（圖1a）。有趣的是，該剪切性能與天然限制性酶類似，不但具有長度限制性（只對含有靶位點的90bp以上的雙鏈DNA進行剪切），而且具有底物構象限制性（不剪切DNA的5’或3’末端處的GAT^ATC位點）。

　　量子化學計算發現，A和T堿基偏好于吸附在離切角四面體中心最近的邊緣，而G和C堿基偏好于吸附在離切角四面體晶面最近的拐角處。當序列中存在ATAT堿基序列時，底物DNA能夠吸附于粒子的邊緣，而G和C堿基則吸附在粒子的兩側角，使得粒子恰好進入GATATC“口袋”，從而使得這種特殊構型的納米粒子特異性識別DNA的GATATC位點；隨著靶位點與粒子的結合，使得T^A之間的化學鍵拉長而弱化，在光的激發下，結合口袋中局域高濃度的羥基自由基，進攻GAT^ATC位點的磷酸二酯鍵，實現了底物DNA的特異性剪切（圖1b-d）。

　　研究詮釋了手性納米粒子的形貌與催化反應選擇性之間的關系，實現了手性無機納米粒子的精細光剪切效應。與天然核酸內切酶相比，該人工仿生體系的DNA剪切效應不受溫度、鹽濃度的限制，這為人工仿生材料應用于基因編輯及分析開辟了新的道路，可以幫助人們更好地理解復雜生命體系中的精確識別與協調配合機制。

　　中科院山西煤化所溫曉東研究團隊對光剪切體系的能量變化進行了密度泛函計算，巴西圣卡洛斯聯邦大學Andre F. de Mour教授團隊構建了粗粒化模型，對反應體系的自由能進行了計算，美國密歇根大學Kotov教授對半導體量子點的設計提出了建設性的意見。