23、分子机器人在生物医学领域的应用与潜力

分子机器人在生物医学领域的应用与潜力

1. 阳离子梳型共聚物对 DNA 相关反应的促进作用

1.1 增强 DNA 酶活性

DNA 酶（DNAzymes）是由 DNA 组成的酶，部分 DNA 酶能在金属离子存在的条件下切割 RNA 底物。它由催化核心区域和两侧的底物结合臂构成，底物与结合臂结合后被切割，随后释放以结合新的底物完成周转。与蛋白质酶相比，DNA 酶合成更简单，且能在更广泛的温度范围内发挥活性，但反应速度较慢。

为提高其反应速率，研究人员假设具有分子伴侣活性的共聚物可通过提高周转速率来增强 DNA 酶的活性。实验结果表明，在不同温度下添加共聚物均能增强 DNA 酶的反应。例如，在 50°C（无共聚物时 DNA 酶的最佳温度），共聚物使 DNA 酶的 $k_{cat}/K_M$ 提高了 50 倍。

多组分核酸酶（MNAzymes）由两个片段组成，是 DNA 酶催化核心的分裂形式，并与特定序列结合以识别目标核酸。目标结合后激活 MNAzyme 切割底物，因其能切割多个底物并放大对应目标的信号，常被用作生物传感器或 DNA 纳米机器的组件。然而，MNAzyme 反应在周转过程中存在瓶颈。添加共聚物成功改善了 MNAzyme 的反应性，使其能检测到皮摩尔浓度的目标 DNA，检测浓度比无共聚物时低 100 倍。

1.2 加速 DNA 逻辑门运算

DNA 计算通过一系列特定序列反应实现，包括 toehold 介导的链置换。但由于链置换反应缓慢，计算时间较长，即使有 $Mg^{2+}$ 加速反应，计算仍常需数小时。因此，需要能更快加速反应的分子。

研究人员评估了共聚物作为加速分子对 toehold