来源：Chem Commun (Camb) | 编译：DNA Lab Space
合成生物学试图在体外重构生命的基本过程，而DNA纳米结构因其精确的可编程性和空间寻址能力，成为构建人工细胞与分子器件的理想平台。然而，天然DNA强烈的亲水性使其难以与脂质膜相互作用，极大限制了其在类细胞界面上的应用。本文系统综述了两亲性DNA纳米结构的最新进展，指出通过疏水修饰赋予DNA膜锚定与膜重塑能力，有望突破这一瓶颈，为自下而上合成生物学提供全新的模块化工具。
研究背景
自下而上合成生物学的核心目标是利用非生命的分子组件，通过合理设计组装出能够模拟特定生命功能的人工体系，例如人工细胞、分子机器和响应材料。在这一过程中，DNA纳米技术凭借碱基互补配对的高度特异性和可编程性，展现出独特优势：研究者可以设计任意形状的DNA折纸结构，并在纳米尺度上精确控制功能基团的位置与数量。然而，传统DNA结构表面布满负电荷的磷酸基团，在水中高度可溶，却无法自发结合或插入脂质双分子层。这一特性使得DNA纳米器件难以与细胞膜这一生物体中最关键的界面相互作用，严重制约了其在类细胞系统中的应用。
为了克服这一障碍，科学家们尝试将疏水性基团（如胆固醇、二酰基甘油、磷脂分子等）共价连接到DNA寡核苷酸上，形成两亲性DNA缀合物。这类分子既保留了DNA的可编程识别能力，又获得了与脂质膜相互作用的能力，从而能够在膜表面或膜内部自发组装，并进一步调控膜的形态与功能。近年来，两亲性DNA纳米结构已被用于构建膜通道、膜受体模拟物、膜间连接器以及可响应人工细胞等，成为合成生物学中一个快速发展的前沿方向。本文作者Rubio-Sánchez等人综合梳理了该领域的设计原理、构建方法与应用前景，为后续研究提供了系统性的参考框架。
研究方法
从技术路线上看，两亲性DNA纳米结构的构建通常分为三个关键步骤：疏水修饰、纳米结构自组装、膜结合性能表征。在疏水修饰环节，研究者多采用固相合成法，在DNA链的末端引入胆固醇、生育酚、荧光脂质或烷基链等疏水基团，也可通过点击化学、硫醇-马来酰亚胺偶联等后修饰方法将疏水模块连接到DNA骨架上。为了精确控制膜锚定行为，需要系统改变疏水基团的数目、种类、连接位置以及间隔臂的长度，并通过高效液相色谱和质谱确认产物纯度。
在纳米结构自组装方面，作者重点讨论了疏水基团对DNA折纸或DNA瓦片组装过程的影响。由于疏水相互作用会驱动非特异性聚集，通常需要在组装过程中加入表面活性剂（如Tween-20）或有机共溶剂（如二甲亚砜），确保DNA结构在溶液状态正确折叠。自组装完成后，通过原子力显微镜、低温透射电镜和动态光散射等手段验证结构的形貌与尺寸，确认疏水修饰未破坏DNA的预期几何形状。
在膜结合与功能表征环节，研究采用脂质体、巨型单层囊泡和平面脂质双层作为模型膜体系。通过共聚焦荧光显微镜观察DNA结构的膜定位，包含荧光标记的两亲性DNA可清晰显示其在囊泡膜上的富集程度；利用荧光漂白恢复技术评估膜上DNA的横向迁移能力；借助石英晶体微天平或表面等离子共振定量测定DNA与膜的亲和力及结合动力学。此外，为了检验膜重塑功能，研究者还通过微米级巨型囊泡实时记录膜管抽提、膜劈裂和膜起泡等形态变化。这些表征手段共同构成了该领域标准化的实验技术路线，为后续设计更复杂的膜活性DNA器件奠定了基础。
研究结果
该论文的核心发现是，两亲性DNA纳米结构并非仅仅被动地锚定在脂质膜表面，而是能够主动调控膜的物理化学性质，发挥多种类似膜蛋白的功能。首先，胆固醇修饰的DNA在磷脂膜中的插入效率与胆固醇基团的个数和暴露程度密切相关：单胆固醇修饰即可实现稳定锚定，但膜亲和力较低；多胆固醇修饰可显著增强膜结合，但过度修饰会导致不可逆插入或结构聚集。作者指出，通过调整疏水基团在DNA折纸表面的空间排布，可以实现膜结合亲和力的程序化调谐，这是DNA纳米结构区别于传统脂质缀合物的独特优势。
其次，两亲性DNA结构能够诱导膜局部曲率变化，驱动膜重塑。实验显示，当多个疏水锚定点不对称地分布在DNA折纸结构的一侧时，其在膜上的结合会施加局部弯曲应力，促使膜向锚定侧弯曲，最终形成直径从数十纳米到数百纳米不等的膜管或膜囊泡。这种机制类似于细胞中网格蛋白介导的内吞作用，但完全由DNA自组装程序驱动，无需蛋白质马达参与。通过调节DNA结构的尺寸和锚定基团的空间排列，研究者能够精确控制膜管的内径、长度和生长方向。
更引人注目的是，两亲性DNA还可作为跨膜通道或膜间连接器。作者总结了利用DNA纳米管嵌入脂质双层形成人工跨膜孔道的研究：这些DNA孔道具有明确的分子内径，可允许特定尺寸的荧光分子或带电荷的小分子通过，且其开关可通过外部DNA链的置换反应控制。此外，带有疏水锚的DNA结构还可以同时结合两个不同脂质体，在膜间建立稳定的物理连接，促进囊泡间的物质转移和信号传递。研究还展示了利用两亲性DNA结构构建可响应的人工细胞信号网络：例如，DNA适配体识别特定分子后诱导构象变化，通过膜锚定传递至囊泡内部，触发下游反应。
对于合成生物学而言，该工作最重要的贡献在于提出了模块化设计原则。作者强调，将两亲性DNA纳米结构视为“膜活性基元”，并将其与DNA逻辑门、DNA水凝胶、DNA适配体等功能模块组合，即可构建出具有膜识别、膜融合、信号转导等复杂功能的类细胞系统。文中给出的概念性实验证明，两亲性DNA结构不仅能够在体外稳定存在，还可以通过膜蛋白重组等手段逐步整合到真实细胞环境中，展现出巨大的应用潜力。
讨论与展望
尽管两亲性DNA纳米结构在合成生物学中展示了令人兴奋的可能性，该领域仍面临若干关键挑战。首先是稳定性问题：疏水基团虽然赋予膜结合能力，但同时增加了DNA结构在水溶液中的聚集倾向，也使其对核酸酶更敏感。其次，目前的膜重塑行为大多依赖于较强的疏水驱动力，如何实现对膜结合的可逆调控仍是难点。此外，DNA纳米结构在生理离子强度下往往无法完全折叠，限制了其在活细胞或生物流体中的应用。作者指出，未来可以通过优化疏水基团化学结构、引入响应性连接键（如pH或光敏感基团）、以及开发保护性DNA涂层来提升稳定性和可控性。同时，将这类两亲性DNA器件与微流控技术相结合，有望实现人工细胞的高通量组装和行为监测。本文为自下而上合成生物学提供了清晰的路线图，预示着DNA纳米技术与膜生物学交叉领域将在未来诞生更多突破性成果。
参考来源
Rubio-Sánchez R, Fabrini G, Cicuta P, Di Michele L. Amphiphilic DNA nanostructures for bottom-up synthetic biology. Chem Commun (Camb), 2021, 57(44): 5376-5388. DOI: 10.1039/D1CC01124K