21、迈向基于结构域的 DNA 序列设计

迈向基于结构域的 DNA 序列设计

1. 现有设计方法的局限性

在 DNA 序列设计中，存在着不同的方法，但都有各自的局限性。一种常见的方法虽然能适用于多种 DNA 复合物和反应，但在消除 DNA 链间不必要的杂散杂交方面能力有限，尤其是在不同结构域的界面处。另一种极端方法是基于链置换反应中所有可能中间体的热力学和动力学分析来设计序列，理论上这能为任何反应网络生成最优序列。然而，这种方法需要大量的计算资源，目前还无法实现。而且，尽管过去 20 年里大多数 DNA 结构基序的热力学性质已被详细研究，但对于多链中间复合物分析相关的两种特殊结构——假结复合物和同轴堆叠结构的能量学仍不清楚。这表明即使是更复杂的方法也可能无法生成真正的“最优”序列。

2. 基于结构域的序列设计考虑因素

2.1 避免长连续杂散杂交区域

在分支迁移结构域中，应优先避免长连续的杂散结合区域，即使多个较短的杂散结合区域会使结构域或链的最小自由能结构更负。因为分支迁移是一个顺序过程，最强连续杂交区域的结合能可能决定了分支迁移过程的活化能。当存在多个不同的螺旋时，如在图 2B 中，只需第一个螺旋自发打开就能启动分支迁移。而长连续杂散杂交区域会使分支迁移在每个结构化碱基上的能量不利，从而使整个分支迁移过程的动力学指数级减慢。例如，图 2A 中的发夹能量为 -10 kcal/mol，图 2B 中每个发夹能量为 -7 kcal/mol，尽管图 2B 的链最小自由能为 -14 kcal/mol，但在室温下，图 2B 的链置换反应动力学可能比图 2A 快 100 倍。此外，被置换的结构域与分支迁移结构域序列相同，被置换部分会形成在分支迁移结构域中自发打开的结构，有助于分支迁移。