DNA toehold链替换反应微观理解及速率调控机制研究
结题报告
批准号:
21574122
项目类别:
面上项目
资助金额:
65.0 万元
负责人:
肖石燕
依托单位:
学科分类:
B0309.高分子物理与高分子物理化学
结题年份:
2019
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
周庆同、陈李萍、郭宜君、孙先宝
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中文摘要
由于DNA的碱基互补特性和可精确编程性,它可以作为反应基元用于分子机器构建及组装,并广泛应用于DNA分子计算、疾病诊治和生物传感等研究领域。DNA toehold链替换反应是DNA恒温纳米技术的基础。目前,人们对DNA toehold链替换反应的微观物理图像和速率调控机制缺乏深刻的了解。本项目将采用分子动力学模拟和自由能计算,结合实验方法,(1)系统研究DNA toehold链替换反应的链替换机制; (2)建立高浓度条件下链替换反应速率的理论计算模型; (3)考察有机小分子溶剂调控链替换反应速率的机制; (4)探讨链替换反应中焓和熵的竞争机制。本项目研究将加深我们对DNA toehold链替换反应的理解,为其反应速率的精确调控提供理论基础,为DNA恒温纳米技术在分子计算、化学反应网络调控细胞生理过程等领域的应用打下基础。
英文摘要
With its programmable behaviors and the property of base pairing in building molecular machine and realization of self-assembly, DNA molecule has found broad applications in the areas of DNA molecular computation, diagnosis of diseases and biosensors. DNA toehold-mediated strand displacement reactions are the bases of isothermal dynamic DNA nanotechnology, and have been systematically used to design complex autonomous behaviors. Currently, a complete understanding about the DNA toehold-mediated strand displacement reaction and its kinetics modulation is still missing. In the present proposal, using molecular dynamics simulations combined with free energy calculations and experiments, we suggest to: (1) investigate the detailed biophysical process of DNA toehold-mediated strand displacement reaction; (2) build a model for the rate constant of the strand displacement reactions at high concentration; (3) investigate the mechanism of reaction rate modulation using organic solvents; (4) study the competition behaviors between the enthalpy and entropy during the reaction. The expected results and conclusions will deepen our understanding of DNA toehold-mediated strand displacement reaction, and would contribute to its potential applications in DNA molecular computation, cellular process modulation through chemical reaction network, and so on.
由于DNA的碱基互补特性和可精确编程性,它可以作为反应基元用于分子机器构建及DNA组装,并广泛应用于DNA分子计算、疾病诊治和生物传感等研究领域。DNA toehold链替换反应是DNA恒温动态纳米技术的基础。目前,人们对DNA toehold链替换反应的微观图像和速率调控机制缺乏深刻的了解。在本项目的支持下,我们基于理论模拟结合实验方法,系统讨论了DNA链替换反应的微观机制,阐述了DNA分子机器的泄漏反应的机制,提出了一种泄漏小,反应快,扩展性好的“组合底物”新策略,并应用于多输入反应线路构建。在理论的指导下,构建了多级DNA分子机器驱动的球形核酸聚集反应体系;并成功应用于单碱基突变检测。建立了pH调控DNA链替换反应驱动的球形核酸反应体系。同时,我们也探讨了短链DNA的刚性,我们提出了一种“中性”DNA异构体模型,通过对比正常DNA,指出DNA在短链尺度上偏离蠕虫链模型描述,阐明了这种偏离正是由于骨架静电排斥作用造成的。本项目研究成果加深了我们对DNA toehold链替换反应的理解,为其反应速率的精确调控提供理论基础,对基于链替换反应的DNA分子机器在分子计算、化学反应网络调控细胞生理过程等领域的应用具有指导意义。.项目执行期间,发表SCI论文16篇。其中,以第一作者和通讯作者在J. Am. Chem. Soc.(2篇)、J. Phys. Chem. Lett. (1篇)、Chem. Commun.(1篇)等国际重要期刊上发表论文12篇。 。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Enzyme-assisted waste-to-reactant transformation to engineer renewable DNA circuits
酶辅助废物到反应物的转化设计可再生 DNA 电路
DOI:10.1039/c9cc05941e
发表时间:2019
期刊:Chemical Communications
影响因子:4.9
作者:Li Xiang;Sun Xianbao;Zhou Junxiang;Yao Dongbao;Xiao Shiyan;Zhou Xiang;Wei Bing;Li Chengxu;Liang Haojun
通讯作者:Liang Haojun
DOI:10.1021/jacs.5b07453
发表时间:2015-11
期刊:Journal of the American Chemical Society
影响因子:15
作者:Yao Dongbao;Song Tingjie;Sun Xianbao;Xiao Shiyan;Huang Fujian;Liang Haojun
通讯作者:Liang Haojun
DOI:10.1021/acs.jpclett.9b01960
发表时间:2019
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters
影响因子:5.7
作者:Xiao Shiyan;Liang Haojun;Wales David J
通讯作者:Wales David J
A Scalable “Junction Substrate” to Engineer Robust DNA Circuits
用于设计稳健 DNA 电路的可扩展“结基板”
DOI:10.1021/jacs.8b05203
发表时间:2018
期刊:Journal of the American Chemical Society
影响因子:15
作者:Xianbao Sun;Bing Wei;Yijun Guo;Shiyan Xiao;Xiang Li;Dongbao Yao;Xue Yin;Shiyong Liu;Haojun Liang
通讯作者:Haojun Liang
Stacking modular DNA circuitry in cascading self-assembly of spherical nucleic acids
球形核酸级联自组装中堆叠模块化 DNA 电路
DOI:10.1039/c7tb01307h
发表时间:2017
期刊:Journal of Materials Chemistry B
影响因子:7
作者:Yao Dongbao;Xiao Shiyan;Zhou Xiang;Li Hui;Wang Bei;Wei Bing;Liang Haojun
通讯作者:Liang Haojun
DNA刚性及其构象转变的温度相关性研究
  • 批准号:
    21404098
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    肖石燕
  • 依托单位:
国内基金
海外基金