A influência da sequência e dinâmica da junção de Holliday no próprio cristal de DNA

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 3112 (2022) Citar este artigo

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A síntese programável de arquiteturas de cristal racionalmente projetadas para o arranjo preciso de espécies moleculares é um objetivo fundamental em nanotecnologia, e o DNA tornou-se uma das moléculas mais proeminentes para a construção desses materiais. Em particular, junções de DNA ramificadas têm sido usadas como bloco de construção central para a montagem de redes 3D. Aqui, a cristalografia é usada para sondar o efeito de todas as 36 sequências de junção Holliday imóveis em cristais de DNA automontados. Ao contrário do paradigma estabelecido no campo, a maioria das junções produz cristais, com alguns aumentando a resolução ou resultando em simetrias cristalinas únicas. Inesperadamente, mesmo a sequência adjacente à junção tem um efeito significativo nos conjuntos de cristal. Seis das sequências de junções imóveis são completamente resistentes à cristalização e, portanto, consideradas "fatais", e as simulações de dinâmica molecular revelam que essas junções invariavelmente carecem de dois locais discretos de ligação de íons que são essenciais para a formação de cristais. As estruturas e dinâmicas detalhadas aqui podem ser usadas para informar projetos futuros de cristais e nanoestruturas de DNA de forma mais ampla e têm implicações potenciais para a engenharia molecular de nanoeletrônica aplicada, nanofotônica e catálise dentro do contexto cristalino.

A fabricação de arquiteturas baseadas em DNA 3D altamente personalizáveis ​​para a organização precisa de materiais em nanoescala foi originalmente conceituada por Seeman em 19821. Uma variedade de metodologias que permitem a automontagem programável foi desenvolvida, incluindo a ligação de ligantes de DNA à nanopartícula ( NP) superfícies2,3 para a construção de redes 3D com configurações de cristal NP coloidais definidas pelo usuário4,5,6,7,8. Com o advento do DNA origami9, superredes 3D de formas de aglomerados de nanopartículas foram descritas10,11 juntamente com redes de origami 3D exibindo geometria personalizável para hospedar espécies convidadas12. Cristais projetados racionalmente com base no motivo "tensegrity"13 que se automontam com pontos de cruzamento de junção de quatro braços projetados e coesão "sticky end" também demonstraram ser capazes de serem convertidos em nanodispositivos14. Recentemente, vários motivos únicos com simetrias cristalinas distintas, resolução aprimorada e, em um caso, uma sequência única de nucleotídeos de junção foram relatados15,16,17,18.

A aplicação de junções de quatro vias para cristais de DNA 3D foi inspirada na recombinação genética, em que um intermediário ramificado instável denominado junção de Holliday (HJ) é criado e subsequentemente sofre uma reconfiguração dinâmica para facilitar a recombinação durante a divisão celular19. As junções Holliday foram extensivamente caracterizadas estruturalmente20,21,22,23,24,25,26,27,28,29 e emergiram como um motivo chave para montagens e dispositivos em nanoescala racionalmente projetados em nanotecnologia de DNA estrutural1,30 HJs que ocorrem naturalmente podem " deslizar" e alterar o comprimento de seus braços31,32, processo conhecido como migração de ramos33. A introdução de sequências assimétricas no ponto de ramificação, entretanto, efetivamente imobiliza a junção e permite seu uso na construção de nanoestruturas bem definidas34. Embora uma variedade de junções multi-ramificadas tenha sido empregada35,36,37,38,39,40,41, a HJ de quatro braços continua sendo a mais popular.

Teoricamente, existem 36 combinações de pares de bases de sequências imóveis. "J1" foi o primeiro a ser projetado42,43 e tem sido usado quase exclusivamente na construção de cristais 3D automontados13,15,16,17 com uma única exceção em que "J10" foi usado18. Alguns trabalhos iniciais exploraram a influência da sequência no empacotamento de junções X empilhadas usando métodos teóricos44,45 ou experimentais46,47, mas, até onde sabemos, nenhum estudo sistemático dos HJs imóveis foi realizado. Além disso, a relação entre a concentração de íons e a transição da HJ ​​da conformação aberta para empilhada é bem conhecida20,25,48,49,50,51; no entanto, estudos de efeitos de sequência na capacidade de ligar íons são limitados, tornando a elucidação dos parâmetros estruturais que influenciam a cristalização e a simetria uma rota desejável para exploração.