《Nature Communications》：Blunt-force assembly of programmable DNA architectures using π–π stacking
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本研究旨在突破DNA自组装领域对粘性末端的传统依赖，探索基于钝端（blunt-ended）DNA结构单元的编程组装新策略。研究人员利用可组合的DNA瓦片（DNA tiles），通过其几何构象与末端碱基身份（terminal nucleobase identity）调控，实现了复杂三维结构的程序化构建。所得晶体X射线衍射分辨率可达1.86 ?。该研究实现了多种可编程的组装模式，包括平动/反转对称、5'?3'与5'?5'堆叠、正负螺旋扭转，并首次证明了由末端π-π相互作用驱动的L-与D-DNA手性异构体（racemic mixtures）的程序化协同组装，展示了镜像分子系统间的分子识别与共存能力，为DNA纳米技术的结构设计开辟了新维度。
在DNA纳米技术的舞台上，自我组装一直是构建精密微观结构的核心魔法。四十多年来，科学家们主要依靠一种名为“粘性末端”的分子“魔术贴”来驱动这一组装过程。这种“粘性末端”指的是单链DNA的突出端，它们可以通过精确的碱基互补配对，将不同的结构单元牢牢“扣”在一起。这种方法虽然强大且可编程，但也像是一把双刃剑。它要求设计者必须预先为每个结构单元精心设计完美互补的“锁”和“钥匙”，以规避不可预测的、混乱的堆积行为。然而，自然界的核酸分子在相互识别和结合时，实际上拥有更为丰富多彩的“接触方式”，例如碱基平面之间的π-π堆叠、氢键网络以及形状互补等。这些天然的、多样化的相互作用在传统的、高度依赖预设粘性末端的组装策略中，往往被有意无意地忽略或规避了。这不禁引发了一个问题：我们能否摆脱对预设“魔术贴”的依赖，转而利用DNA结构单元自身更本质的物理化学性质——比如其精确的几何形状和末端的化学特性——来引导它们自发地、可预测地组装成复杂的高级结构？这不仅是一个基础科学问题，也关乎DNA纳米技术能否突破现有设计范式，实现对更广泛、更复杂结构（尤其是具有特定对称性和手性特征的结构）的精准构筑，从而在生物传感、药物递送和材料科学等领域开辟新的应用前景。
为了解决上述问题，一项发表在《Nature Communications》上的研究提出了一种全新的、被称为“钝力组装”的策略。该研究摒弃了传统的粘性末端，转而使用“钝端”（blunt-ended）的DNA结构单元——即双链DNA的末端是平齐的，没有单链突出。研究人员设计了一系列具有特定几何形状的、可组合的DNA瓦片（DNA tiles），这些瓦片在接口处是单个双链的钝端。组装的核心驱动力不再是碱基互补配对，而是末端碱基本身之间的π-π堆叠相互作用，并结合瓦片精确的几何形状来共同控制最终的组装结果。通过调整瓦片的几何构型和末端碱基的身份（例如是A、T、C、G中的哪一种），研究人员成功地实现了对组装过程的程序化控制，获得了多种复杂且规整的三维DNA晶体结构。这些晶体质量极高，能够产生高分辨率的X射线衍射数据（分辨率在10.0到1.86 ?之间），使得研究者能够在原子水平上清晰观察组装体的结构细节。该研究不仅证明了钝端组装策略的可行性，还展示了其强大的可编程性和可调性。研究人员实现了包括平移对称和反转对称在内的多种晶体对称性，观察到了5'?3'和罕见的5'?5'末端堆叠方式，并获得了具有正、负不同螺旋扭转值的组装体。更有突破性意义的是，研究团队利用L-型（左旋）和D-型（右旋）DNA结构单元的外消旋混合物（racemic mixtures），成功实现了由末端π-π相互作用驱动的程序化协同组装。这首次在实验上证明了完全镜像对称的分子系统之间能够通过非手性相互作用（π-π堆叠）实现识别并共存于同一个高度有序的晶格之中，为研究手性分子的识别、分离与协同作用提供了全新的模型系统。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，他们基于DNA折纸术（DNA origami）和瓦片自组装（tile-based self-assembly）原理，理性设计并合成了具有特定几何形状和钝端接口的可组合DNA瓦片。其次，他们通过严谨的结晶条件筛选和优化，获得了高质量的DNA三维晶体。最后，他们利用同步辐射X射线晶体学（X-ray crystallography）对这些微米级晶体进行数据收集与结构解析，获得了原子级分辨率的三维结构模型，从而直接观察并验证了组装模式和分子间相互作用。
研究结果
1. 基于几何形状与末端碱基的程序化钝端组装
研究人员设计了一系列具有特定形状（如十字形、T字形）的DNA瓦片，其接口为单个双链DNA的钝端。通过改变瓦片的几何构型和末端碱基的身份（例如，将末端设置为连续的腺嘌呤A或胸腺嘧啶T），他们成功引导瓦片组装成了具有不同对称性的二维和三维晶体。结构分析表明，组装体通过末端碱基平面之间的面对面π-π堆叠相互作用稳定，并且堆积的几何（如偏移距离、旋转角度）受到末端碱基种类和瓦片形状的共同调控。这证实了不依赖粘性末端，仅凭钝端相互作用即可实现高度有序的DNA自组装。
2. 可编程的晶体堆积与螺旋性调控
通过对DNA瓦片的设计进行微调，研究人员展示了钝端组装策略在控制晶体宏观对称性和螺旋性方面的强大能力。他们获得了具有简单平移对称性的晶体，也获得了具有中心对称（即反转对称）的晶体。更重要的是，他们通过设计瓦片接口的微小扭转，成功制备出了具有左手性（负扭转）和右手性（正扭转）螺旋的组装体。高分辨率结构清晰地显示了导致不同螺旋性的分子层面堆积细节，表明螺旋性可以通过接口处碱基堆叠的精确几何参数进行程序化设计。
3. 镜像DNA系统的程序化协同组装
这是本研究最具创新性的发现。研究人员合成了与天然D型DNA（右旋）呈镜像对称的L型DNA瓦片。当将D型和L型瓦片以外消旋混合物（等量混合）的形式进行共结晶时，出乎意料地形成了高度有序的单一晶体。X射线结构解析揭示，在该晶体中，D型瓦片和L型瓦片通过它们钝端之间完全相同的π-π堆叠相互作用，交替排列在晶格中，实现了“手性协同组装”。这一结果证明，非手性的π-π相互作用可以超越分子本身的手性，驱动镜像分子系统相互识别并共同构建出周期性的超分子结构。
结论与讨论
本研究成功地发展并验证了一种名为“钝力组装”的DNA自组装新范式。它核心的结论在于：通过精确设计DNA结构单元（瓦片）的几何形状和末端化学（碱基身份），可以充分利用π-π堆叠等自然的、非共价的分子间作用力，实现对复杂三维DNA结构的程序化构建，而无需依赖传统的粘性末端互补配对。
其重要意义体现在多个层面：在方法论上，它极大地扩展了DNA纳米技术的“设计工具箱”，为构建新型的、特别是具有复杂对称性和手性特征的纳米结构提供了前所未有的灵活性和新路径。在基础科学层面，该研究首次在实验上实现了完全镜像对称的生物大分子系统（L-和D-DNA）的程序化协同组装与共结晶。这一突破性发现不仅挑战了人们对手性分子识别与分离的传统认知（即通常认为对映异构体难以共结晶），也为在超分子水平研究手性相互作用、开发新型手性材料以及理解生命起源中的手性均一性难题提供了一个独一无二的模型平台。此外，所获得的高分辨率DNA晶体结构，为在原子细节上理解DNA的堆积行为和相互作用提供了宝贵的信息。
最终，这项工作将DNA纳米技术从“锁定-钥匙”式的预设互补模式，推向了一个更接近自然本质、更强调形状与物理化学性质驱动的“模块化搭建”新时代。它预示着未来有可能利用更简单的结构单元，通过更丰富的相互作用词典，组装出功能更为强大的智能纳米器件。
