西弗吉尼亚大学研究人员捕捉到合成DNA的原子视图

西弗吉尼亚大学的研究人员现在能够在原子水平上观察合成 DNA，使他们能够了解如何改变其结构，以期增强其剪刀般的功能。更多地了解这些合成 DNA 反应可能是解锁医疗诊断和治疗新技术的关键。

在化学界，这些发现有助于回答一个 30 年来的问题，即这种特定的 DNA 结构，以及科学家如何使其在不改变 DNA 本身的情况下产生反应，这一过程称为催化。

西弗吉尼亚大学医学院生物化学和分子医学系副教授、该项目的首席研究员亚伦·罗巴特 ( Aaron Robart ) 表示：“这也许只是在非常详细的原子水平上深入了解化学活性 DNA 如何促进其独特功能，从而赋予所有这些应用力量的第三个例子。” “原子细节为我们提供了长期寻求的路线图，以开始构建和改进可广泛应用于健康和诊断的技术。”

罗巴特表示，一旦科学家了解如何使该技术更有效地发挥作用，理论上它可以用于治疗视网膜变性或癌症等疾病。

研究人员的研究结果发表在《自然》系列期刊《通讯化学》上。

Robart 指出，该研究中使用的合成 DNA(称为 DNAzyme)与人类 DNA 不同。DNAzyme 在实验室中制造，生产成本低廉，并且能够催化化学反应。它们经过人工进化，可以执行监测空气质量和测量渗入土壤中的重金属等功能。

“通常，我们认为 DNA 是惰性的，作为我们遗传信息的存储单元，”Robart 说。“然而，实验室中进化出的某些类型的 DNA 违反了传统规则。这些 DNA 可以折叠成复杂的形状，使它们能够执行一系列非凡的反应。

“唯一的问题是，经过 30 年的研究，我们真的不知道化学反应是如何发生的。我们缺少的一件大事是我们的实验室对晶体所做的事情，从而产生了核酸看起来像原子细节的高分辨率结构以及它们如何进行所有这些化学反应。”

为了能够在原子水平上观察 DNA，Robart 和他的实验室学生(密歇根州安湖的 Evan Cramer、卡梅伦的 Sarah Starcovic 和马丁斯堡的 Beka Avey)与美国能源部芝加哥阿贡国家实验室的高级光子源合作。这个过程——X射线晶体学——包括使合成DNA结晶，然后用超强X射线对其进行照射以揭示其结构。通过与 APS 合作，该团队能够控制 X 射线并通过互联网收集数据。

“利用这些信息，我们可以更好地了解其他脱氧核糖核酸酶在裂解反应中的表现，”正在攻读生物化学和分子医学博士学位的斯塔科维奇说。

罗巴特说，他们看到的是一种带有小臂的结构，可以伸出来找到互补序列的另一部分并将自己夹紧在一起，类似于尼龙搭扣的附着方式。

“这些 DNA 可以充当分子剪刀，具有精确的特异性来切割 RNA 或 DNA，或者它们也可以充当胶水，”Robart 解释道。“假设你有一个导致疾病的突变基因，我们可以将这种 DNA 导入细胞，它就能消除所有导致疾病的蛋白质的信息。”

发表论文的主要作者、生物化学和分子医学博士生克莱默表示，他希望未来的研究能够填补临床实施的知识空白。