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通过硫代磷酸酯修饰改善引发链介导的链置换反应的动态控制。

Improving dynamic control of toehold-mediated strand displacement reactions through phosphorothioate modifications.

作者信息

Liang Ruyi, Shen Yiyang, Long Tanqing, Yang Peilin, Xu Chuanrui, Wu Tongbo, Zhang Mingxia

机构信息

School of Pharmacy, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430030, China.

Department of Gynecological Oncology, Tongji Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430030, China.

出版信息

Nanoscale. 2024 Dec 12;16(48):22393-22402. doi: 10.1039/d4nr04201h.

DOI:10.1039/d4nr04201h
PMID:39552220
Abstract

The toehold-mediated strand displacement reaction plays a crucial role in the functionality of DNA nanodevices. However, the reaction's velocity is heavily reliant on the length of the toehold region. A shorter toehold can impede the speed and completeness of the reaction. This study utilized DNA phosphorothioate modification to analyze its impact on these significant processes. The findings revealed that a shorter toehold (Toehold < 5 nt) accelerates the initial strand release, thus expediting the entire reaction when modified with phosphorothioate. Conversely, a longer toehold (Toehold > 4 nt) with phosphorothioate modification enhances the displacement reaction's extent. Furthermore, this newfound knowledge was applied to DNA-based reaction systems such as catalytic hairpin assembly and DNA probabilistic circuit, demonstrating that phosphorothioate usage can effectively regulate and enhance the functionality of these systems. This development holds promise for the future advancements in biocomputing, nanotechnology, and gene therapy.

摘要

引发链介导的链置换反应在DNA纳米器件的功能中起着至关重要的作用。然而,该反应的速度在很大程度上依赖于引发链区域的长度。较短的引发链会阻碍反应的速度和完整性。本研究利用DNA硫代磷酸酯修饰来分析其对这些重要过程的影响。研究结果表明,较短的引发链(引发链<5个核苷酸)会加速初始链的释放,因此在用硫代磷酸酯修饰时会加快整个反应。相反,具有硫代磷酸酯修饰的较长引发链(引发链>4个核苷酸)会增强置换反应的程度。此外,这一新知识被应用于基于DNA的反应系统,如催化发夹组装和DNA概率电路,表明使用硫代磷酸酯可以有效地调节和增强这些系统的功能。这一进展为生物计算、纳米技术和基因治疗的未来发展带来了希望。

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