Programming biomolecular self-assembly pathways

核酸 编码 计算机科学 自组装 自催化 纳米技术 化学 计算生物学 生物系统 材料科学 生物 生物化学 催化作用 基因
作者
Peng Yin,Harry M. T. Choi,Colby R. Calvert,Niles A. Pierce
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:451 (7176): 318-322 被引量:1610
标识
DOI:10.1038/nature06451
摘要

In nature, self-assembling and disassembling complexes of proteins and nucleic acids bound to a variety of ligands perform intricate and diverse dynamic functions. In contrast, attempts to rationally encode structure and function into synthetic amino acid and nucleic acid sequences have largely focused on engineering molecules that self-assemble into prescribed target structures, rather than on engineering transient system dynamics. To design systems that perform dynamic functions without human intervention, it is necessary to encode within the biopolymer sequences the reaction pathways by which self-assembly occurs. Nucleic acids show promise as a design medium for engineering dynamic functions, including catalytic hybridization, triggered self-assembly and molecular computation. Here, we program diverse molecular self-assembly and disassembly pathways using a 'reaction graph' abstraction to specify complementarity relationships between modular domains in a versatile DNA hairpin motif. Molecular programs are executed for a variety of dynamic functions: catalytic formation of branched junctions, autocatalytic duplex formation by a cross-catalytic circuit, nucleated dendritic growth of a binary molecular 'tree', and autonomous locomotion of a bipedal walker.
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