由DNA翻转构建的合成酶每秒10次脂质在生物膜上

亚历山大·奥曼(Alexander Ohmann),Chen-Yu Li,Christopher Maffeo,Kareem Al Nahas,Kevin N. Baumann,KerstinGöpfrich,Jejoong Yoo,Ulrich F. Keyser和Aleksei Aksimentiev
自然通讯9 2426(2018)
doi:10.1038/S41467-018-04821-5Bibtex

强调

模仿酶功能和自然进化蛋白的性能的提高是纳米科学最具挑战性和吸引人的目标之一。在这里,我们采用DNA纳米技术来设计一种合成酶,该酶显着优于其生物学原型。我们的DNA纳米结构仅由八个链组成,通过形成连接膜的内部和外部小叶的环形孔,可以自发地插入生物膜中。膜插入催化双层小叶之间脂质分子的自发转运,从而迅速平衡脂质成分。通过微观模拟和荧光显微镜的组合,我们发现由DNA纳米结构催化的脂质转运速率超过107每秒分子,比生物学酶催化的脂质转运速率高三个数量级。此外,我们表明我们的基于DNA的酶可以控制人类细胞膜的组成,这为膜相互作用DNA系统在医学中的应用开辟了新的途径。

该出版物在以下新闻报道中列出了:
https://news.illinois.edu/view/6367/663659
https://bioengineeringcommunity.nature.com/channels/541-behind-the-paper/paper/paper/34556 outperforming-nature-inature-using-using-using-using-using-using-using-using-using-using-dna-nanotechnology
https://cen.acs.org/biological-chemistry/nucleic-acids/dna-nanosstructure-acts-lipid-flipping/96/i28

抽象的

模仿酶功能和自然进化蛋白的性能的提高是纳米科学最具挑战性和吸引人的目标之一。在这里,我们采用DNA纳米技术来设计一种合成酶,该酶显着优于其生物学原型。我们的DNA纳米结构仅由八个链组成,通过形成连接膜的内部和外部小叶的环形孔,可以自发地插入生物膜中。膜插入催化双层小叶之间脂质分子的自发转运,从而迅速平衡脂质成分。通过微观模拟和荧光显微镜的组合,我们发现由DNA纳米结构催化的脂质转运速率超过107每秒分子,比生物学酶催化的脂质转运速率高三个数量级。此外,我们表明我们的基于DNA的酶可以控制人类细胞膜的组成,这为膜相互作用DNA系统在医学中的应用开辟了新的途径。

DNA纳米结构产生的脂质杂乱的全原子模拟。这部电影说明了通过胆固醇标签(半透明的红色)嵌入DNA纳米结构(蓝色和黄色)的2.2μsMD轨迹。DPHPE脂质膜的磷原子显示为浅黄色球。为了清楚起见,除了一种脂质(数字51,也突出显示了主文本的图2 c)外,没有显示脂质膜的所有其他原子。脂质数51根据原子类型(C:CYAN; O:RED; N:blue; P:浅黄色; H:未显示)进行着色。未显示1 M KCl电解质溶液。

在包含DNA纳米结构的DPHPE系统的2.2 µs全原子MD模拟中发生的自发叶间转移事件的其他例子。动画具有脂质#166,有关转移过程的定量表征,请参见图3。

在包含DNA纳米结构的DPHPE系统的2.2 µs全原子MD模拟中发生的自发叶间转移事件的其他例子。动画具有脂质#203,有关转移过程的定量表征,请参见图3。

在包含DNA纳米结构的DPHPE系统的2.2 µs全原子MD模拟中发生的自发叶间转移事件的其他例子。动画具有脂质#278,有关转移过程的定量表征,请参见图3。

BD模拟脂质纳米孔的脂质扰动。这部电影显示了静止微观配置的集合,说明了L = 24 nm系统的200 µs仿真轨迹。同一仿真系统的剪切和顶视图分别显示在顶部和底部面板中。两个面板中的红白色蓝色背景代表模拟中应用的位置依赖性电位,以说明环形孔的效果。顶部面板上的颜色图显示了系统的Y - z横截面,x = 0 nm;底部的一个是z = 2 nm处的x -y横截面。电位的颜色尺度显示在右侧面板上。底部面板中的绿色虚线表示孔的位置。黄色和黑色球形描绘了荧光和非荧光脂质。最初(在t = 0)中,降低了双层下部小叶(z <0 nm)中所有脂质的荧光。 During the simulation, lipids from the upper leaflet (Z > 0 nm) diffuse to the lower leaflet where they are reduced in their fluorescence (yellow beads turn black). The “Ratio” variable shows the ratio of the beads remaining in the upper leaflet that have never ventured to the lower leaflet from the beginning of the simulation to the total number of beads in the upper leaflet.