西亚试剂：首次从理论上证实DNA也可设计出有酶活性的结构

生物系统比较复杂。尽管DNA可能携带简单的碱基对序列，但是一旦它被转录为RNA和翻译为蛋白，这种简单序列能够产生众多而且经常难以预测的结果。为了对抗RNA和蛋白结构的不可预测性，合成生物学家能够奋力设计精确的生物系统以便实现特定目标。但是这一系统全部由DNA构造而成将会是怎么样？

根据2012年1月11日在线发表在Journal of Royal Society Interface期刊上的一篇研究论文，美国杜克大学Harish Chandran和同事们利用DNA的简单性和可预测性提岀模拟聚合酶或限制性内切酶的可能的DNA纳米结构以便执行许多种生物学过程。

杜克大学设计DNA纳米结构的计算机工程师Chris Dwyer(未参与该项研究）说：“它在理论上完美地证实利用DNA结构实现一些重要反应是可行的。”

尽管人们利用DNA“折纸术(origami)”---一种构建准确折叠的DNA纳米结构的方法---通过准确放置反应成分来促进酶促反应，但是Chandran的研究是第一次试图在这种系统中使用DNA作为酶。这些模型利用DNA双螺旋及其“渴望”保持扭曲的特性。Chandran和他的研究小组构建了元DNA(meta-DNA)结构的计算机模型，这些模型使用DNA片段作为构建单元(building block)或者说构建砖头(building brick)创造出更大的但是行为表现仍然很像DNA链的东西。

正如实际的碱基是DNA的基本单元，元碱基(meta-base即DNA砖头)是元DNA的基本单元。元碱基是从3条正常双螺旋链设计岀来的。每条链的末端与其他两条链互补，这样所有3条链将匹配为Chandran所描述的“三角星(three-prong star)”。这些三角星再通过互补的末端序列与其他三角星形成元DNA链。研究人员补充道，要构建能够起着类似酶作用的元DNA结构，简单地涉及将两条不同长度的元DNA链结合在一起，从而提供一个缺口给元DNA其他单链片段结合。在合适条件下，新的元碱基开始结合到较长的元DNA链上，从 而产生可能的“酶促”反应，如DNA复制(非常像PCR反应：在合适条件下，较短的引物DNA片段进行延伸)。只要元DNA的一个元碱基内元DNA链识别将被酶切的元DNA链上的序列，人们也就可能设计出元DNA来模拟限制性内切酶活性。

尽管研究人员尚没有构建岀这些基于DNA的酶促反应，但是他们已开始构建实际的元DNA结构，而且Chandran对此也充满自信：只要进行一些仔细规划，他们就能够将这些原理变成现实。他想象有朝一日能够创建出可以与活着的组织发生相互作用的整个元细胞(meta-cell)，这样它们可能携带治疗性药用成分到细胞内部。

完全由DNA构建的系统理论上应当能够消除RNA和蛋白的不必要的不可预测性，而且长期而言使得合成生物学家更容易设计岀独特的系统。Chandran说：“我们对我们的团队充满强烈的信心：我们可能能够仅使用DNA链创建原始的生命。”

Dwyer同意酶设计是一个“迄今为止尚未解决”的问题，但是他指岀这种只用DNA构建系统的一个关键性缺点。Dwyer解释道，在这点上，“它实际上仅仅适用于其他元DNA构造物”。为了使得元DNA变得真正有用，它将需要能够与蛋白发生作用。元DNA也可能比正常的蛋白酶更加慢地发生反应，这一点Chandran也承认。

并不是每个人在第一时间就看岀只用DNA构建的系统的需要。苏格兰圣安德鲁斯大学系统化学家Douglas Philp尽管称赞这项研究“精巧”，但是他并不觉得RNA和蛋白需要替换。 Philp说：“蛋白发挥酶的作用，RNA能够携带信息和催化反应，而DNA携带信息。DNA非常适合携带信息，因为它非常稳定”，不过正是蛋白结构的异常复杂性才有助于酶非常好地发挥作用。他注意到DNA只倾向于形成双螺旋可能实际上限制了它的应用