Self-Assembly of Designed Peptides with DNA to Accelerate the DNA Strand Displacement Process for Dynamic Regulation of DNAzymes

脱氧核酶 DNA DNA纳米技术 生物物理学 多重位移放大 纳米技术 化学 计算生物学 生物 材料科学 生物化学 基因 聚合酶链反应 DNA提取
作者
Ronghui Du,Qiao Teng,Shichao Xu,Min Jiang,Patrick Irmisch,Zhen‐Gang Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (24): 24753-24762
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c05124
摘要

Toehold-mediated DNA strand displacement (TMSD) is a powerful tool for controlling DNA-based molecular reactions and devices. However, the slow kinetics of TMSD reactions often limit their efficiency and practical applications. Inspired by the chemical structures of natural DNA-operating enzymes (e.g., helicase), we designed lysine-rich peptides to self-assemble with DNA-based systems. Our approach allows for accelerating the TMSD reactions, even during multiple displacement events, enhancing their overall efficiency and utility. We found that the acceleration is dependent on the peptide’s sequence, length, and concentration as well as the length of the DNA toehold domain. Molecular dynamics simulations revealed that the peptides promote toehold binding between the double-stranded target and the single-stranded invader, thereby facilitating strand displacement. Furthermore, we integrated our approach into a horseradish peroxidase-mimicking DNAzyme, enabling the dynamic modulation of enzymatic functions on and off. We anticipate that the established acceleration of strand displacement reactions and the modulation of enzymatic activities offer enhanced functionality and control in the design of programmable DNA-based nanodevices.
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