合成并将一种pH响应型核苷整合到DNA序列中

《ChemBioChem》：Synthesis and Incorporation of a pH-Responsive Nucleoside Into DNA Sequences

　　DNA分子构建块的pH响应性研究及其在动态纳米技术中的应用。通过设计3,7-二脱氮-2-氨基嘌呤（2-Amino-DDP）实现双链与单链的可逆切换，其pKa（7.3±0.2）接近生理pH，经聚合酶实验和热力学分析验证。该构建块为DNA纳米机器、生物传感和靶向药物递送提供了新工具，并可能模拟组氨酸在核酶中的酸碱催化作用。

　　DNA作为一种具有可编程热力学特性和结构灵活性的分子材料，在构建分子设备方面展现出巨大的潜力。随着DNA纳米技术的发展，科学家们逐渐探索如何利用DNA的这一特性来实现更复杂的功能。传统的DNA结构依赖于碱基配对的规则，而某些特定的DNA结构，如三链DNA（triplex）和i-发夹结构（i-motif），则对pH值变化具有响应性。然而，这些结构往往受到严格的序列限制，或者需要非生理条件下的pH环境，从而限制了它们在更复杂的DNA纳米结构中的应用。因此，开发一种能够在生理pH范围内实现碱基配对特异性可逆切换的非天然核苷酸，成为推动DNA纳米技术向动态化发展的重要一步。

本文介绍了一种新型的非天然核苷酸——3,7-二氮杂-2-氨基嘌呤（2-Amino-DDP），其pKa值与生理pH值相匹配，能够在不同的pH条件下控制其碱基配对行为。这种设计的关键在于通过改变核苷酸的电子密度，实现其在不同pH环境下的配对特异性变化。传统的碱基配对如腺嘌呤与胸腺嘧啶（A-T）或鸟嘌呤与胞嘧啶（G-C）在特定pH条件下可能会受到破坏，而2-Amino-DDP则能够根据其是否质子化，选择性地与胞嘧啶（C）或胸腺嘧啶（T）配对。这一特性为构建能够响应pH变化的DNA结构提供了新的可能性。

为了验证这一设计的可行性，研究团队首先合成了2-Amino-DDP的三磷酸盐和磷酸胺基（phosphoramidite）衍生物，以确保其能够在DNA合成过程中被酶识别并正确整合。实验结果表明，多种DNA聚合酶（如KlenTaq、Thermo Sequenase、Klenow、Therminator和Sulfolobus）能够在标准缓冲条件下接受2-Amino-DDP三磷酸盐。然而，某些聚合酶（如Bsu和Bst）则无法有效整合该核苷酸。此外，研究还发现，2-Amino-DDP的整合行为受pH值的调控：在较低pH条件下，它更倾向于与胞嘧啶配对，而在较高pH条件下则更倾向于与胸腺嘧啶配对。这一现象在使用Thermo Sequenase和KlenTaq聚合酶的实验中得到了验证，为后续的DNA纳米技术应用奠定了基础。

进一步的生物物理分析表明，2-Amino-DDP的碱基配对行为确实受到pH值的影响。通过紫外-可见光谱（UV/Vis）和圆二色光谱（CD）分析，研究团队发现2-Amino-DDP在不同pH环境下的吸收光谱发生了显著变化，这表明其电子结构发生了相应的调整。同时，CD光谱的分析结果也支持了该核苷酸在DNA双链结构中的存在，并显示出与B型DNA相似的二级结构特征。这些结果进一步验证了2-Amino-DDP在不同pH条件下的碱基配对特异性变化。

为了评估2-Amino-DDP在不同pH条件下的热力学稳定性，研究团队还进行了熔解曲线分析。结果显示，当2-Amino-DDP与胞嘧啶配对时，其双链结构的熔解温度变化较小，表明其在生理pH范围内对碱基配对的影响有限。然而，当其与胸腺嘧啶配对时，双链结构的稳定性显著受到pH值变化的影响，熔解温度随着pH值的升高而增加。这一结果表明，2-Amino-DDP在与胸腺嘧啶配对时，其碱基配对行为具有更强的pH响应性。相比之下，传统的A-T配对则不受pH变化的影响，保持了较高的热稳定性。

这一研究不仅为DNA纳米技术提供了新的工具，还为构建能够响应pH变化的动态DNA结构打开了新的大门。通过引入这种非天然核苷酸，科学家们可以在不依赖严格序列的前提下，设计出能够根据环境pH值变化而改变结构的DNA设备。这种特性对于开发DNA纳米机器、生物传感器和靶向药物递送系统具有重要意义。此外，2-Amino-DDP的生理pKa值还可能使其在RNA酶（ribozymes）或DNA酶（DNAzymes）中发挥类似于组氨酸（histidine）在蛋白质酶中的酸碱催化作用。

DNA纳米技术近年来在生物医学领域展现出广阔的应用前景。通过利用DNA的可编程性和结构可调性，研究人员能够设计出具有特定功能的纳米结构，例如DNA纳米机器人、DNA折纸结构（DNA origami）和DNA纳米反应器等。这些结构不仅能够在特定条件下发生构型变化，还能够执行复杂的任务，如靶向药物释放、分子识别和信号传导。然而，传统的DNA结构往往受到环境条件的限制，尤其是在pH变化较大的情况下，其功能可能会受到影响。因此，开发一种能够在生理pH范围内实现碱基配对可逆切换的非天然核苷酸，是推动DNA纳米技术向更复杂、更灵活方向发展的关键。

2-Amino-DDP的引入为这一目标提供了新的解决方案。它不仅能够在生理pH范围内保持与天然碱基的兼容性，还能够根据pH值的变化，选择性地与不同的碱基配对。这种特性使得研究人员可以设计出能够响应环境pH变化的DNA结构，从而实现更精细的分子调控。例如，在生物传感应用中，2-Amino-DDP可以用于检测特定的pH变化，从而触发DNA结构的构型转换，进而激活或关闭某种功能。在药物递送系统中，这种pH响应性可以用于控制药物的释放条件，使药物仅在特定的生理环境中释放，从而提高治疗的靶向性和安全性。

此外，2-Amino-DDP的这种pH响应性还可能拓展到其他领域，如合成生物学和分子机器的设计。通过将这种非天然核苷酸整合到DNA纳米结构中，研究人员可以构建出能够根据环境pH值变化而进行动态响应的分子设备。这种动态响应能力使得DNA纳米结构能够模拟生物系统中的某些功能，例如利用质子梯度驱动的分子运动，从而实现更复杂的生物行为。例如，在自然界中，ATP合成酶通过质子梯度驱动能量转换，而2-Amino-DDP的引入可能为DNA纳米机器提供类似的能量驱动机制。

从更广泛的视角来看，这一研究的意义不仅在于技术上的突破，还在于其对生命科学和材料科学的潜在影响。DNA作为生命的基本信息载体，其碱基配对特异性一直是生物系统运作的基础。然而，传统的碱基配对行为通常受到环境条件的限制，而2-Amino-DDP的出现则为构建具有更广泛适应性的DNA结构提供了可能。这种非天然核苷酸的引入，使得DNA纳米技术能够更灵活地应对不同的环境变化，从而拓展其在生物医学、生物工程和材料科学中的应用范围。

未来，随着对2-Amino-DDP特性的进一步研究，科学家们有望开发出更多基于pH响应的DNA结构。这些结构不仅能够实现更复杂的分子功能，还可能为构建更智能的DNA纳米机器提供基础。例如，通过设计具有pH响应性的DNA纳米结构，研究人员可以实现对特定细胞或组织的靶向识别和响应，从而在疾病治疗、药物递送和生物传感等领域取得突破。此外，这种非天然核苷酸还可能用于DNA纳米技术的进化研究，例如通过在体外筛选和优化DNA纳米结构，使其能够更高效地响应pH变化，进而实现更精确的分子调控。

总的来说，2-Amino-DDP的开发标志着DNA纳米技术进入了一个新的阶段。它不仅拓展了DNA作为分子材料的应用范围，还为构建动态响应的DNA纳米结构提供了新的工具。这种非天然核苷酸的引入，使得DNA纳米技术能够在更广泛的环境中发挥作用，从而推动其在生物医学和材料科学等领域的应用。随着相关研究的深入，我们有理由相信，基于pH响应的DNA纳米结构将在未来发挥越来越重要的作用，为科学研究和实际应用带来新的可能性。