從理論上證實DNA也可設計出有酶活性的結構

生物系統比較復雜。盡管DNA可能攜帶簡單的堿基對序列，但是一旦它被轉錄為RNA和翻譯為蛋白，這種簡單序列能夠產生眾多而且經常難以預測的結果。為了對抗RNA和蛋白結構的不可預測性，合成生物學家能夠奮力設計的生物系統以便實現特定目標。但是這一系統全部由DNA構造而成將會是怎么樣？

根據2012年1月11日在線發表在Journal of Royal Society Interface期刊上的一篇研究論文，美國杜克大學Harish Chandran和同事們利用DNA的簡單性和可預測性提岀模擬聚合酶或限制性內切酶的可能的DNA納米結構以便執行許多種生物學過程。

杜克大學設計DNA納米結構的計算機工程師Chris Dwyer(未參與該項研究)說：“它在理論上地證實利用DNA結構實現一些重要反應是可行的。”

盡管人們利用DNA“折紙術(origami)”---一種構建準確折疊的DNA納米結構的方法---通過準確放置反應成分來促進酶促反應，但是Chandran的研究是*次試圖在這種系統中使用DNA作為酶。這些模型利用DNA雙螺旋及其“渴望”保持扭曲的特性。Chandran和他的研究小組構建了元DNA(meta-DNA)結構的計算機模型，這些模型使用DN*段作為構建單元(building block)或者說構建磚頭(building brick)創造出更大的但是行為表現仍然很像DNA鏈的東西。

正如實際的堿基是DNA的基本單元，元堿基(meta-base即DNA磚頭)是元DNA的基本單元。元堿基是從3條正常雙螺旋鏈設計岀來的。每條鏈的末端與其他兩條鏈互補，這樣所有3條鏈將匹配為Chandran所描述的“三角星(three-prong star)”。這些三角星再通過互補的末端序列與其他三角星形成元DNA鏈。研究人員補充道，要構建能夠起著類似酶作用的元DNA結構，簡單地涉及將兩條不同長度的元DNA鏈結合在一起，從而提供一個缺口給元DNA其他單鏈片段結合。在合適條件下，新的元堿基開始結合到較長的元DNA鏈上，從 而產生可能的“酶促”反應，如DNA復制(非常像PCR反應：在合適條件下，較短的引物DN*段進行延伸)。只要元DNA的一個元堿基內元DNA鏈識別將被酶切的元DNA鏈上的序列，人們也就可能設計出元DNA來模擬限制性內切酶活性。

盡管研究人員尚沒有構建岀這些基于DNA的酶促反應，但是他們已開始構建實際的元DNA結構，而且Chandran對此也充滿自信：只要進行一些仔細規劃，他們就能夠將這些原理變成現實。他想象有朝一日能夠創建出可以與活著的組織發生相互作用的整個元細胞(meta-cell)，這樣它們可能攜帶治療性藥用成分到細胞內部。

*由DNA構建的系統理論上應當能夠消除RNA和蛋白的不必要的不可預測性，而且長期而言使得合成生物學家更容易設計岀*的系統。Chandran說：“我們對我們的團隊充滿強烈的信心：我們可能能夠僅使用DNA鏈創建原始的生命。”

Dwyer同意酶設計是一個“迄今為止尚未解決”的問題，但是他指岀這種只用DNA構建系統的一個關鍵性缺點。Dwyer解釋道，在這點上，“它實際上僅僅適用于其他元DNA構造物”。為了使得元DNA變得真正有用，它將需要能夠與蛋白發生作用。元DNA也可能比正常的蛋白酶更加慢地發生反應，這一點Chandran也承認。

并不是每個人在*時間就看岀只用DNA構建的系統的需要。蘇格蘭圣安德魯斯大學系統化學家Douglas Philp盡管稱贊這項研究“精巧”，但是他并不覺得RNA和蛋白需要替換。 Philp說：“蛋白發揮酶的作用，RNA能夠攜帶信息和催化反應，而DNA攜帶信息。DNA非常適合攜帶信息，因為它非常穩定”，不過正是蛋白結構的異常復雜性才有助于酶非常好地發揮作用。他注意到DNA只傾向于形成雙螺旋可能實際上限制了它的應用。