I-Motif-Programmed Functionalization of DNA Nanocircles

化学 分子间力 分子内力 DNA 结晶学 圆二色性 结构母题 伴侣(临床) 生物物理学 核酸变性 立体化学 分子 生物化学 基序列 生物 病理 医学 有机化学
作者
Tao Li,Michael Famulok
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:135 (4): 1593-1599 被引量:136
标识
DOI:10.1021/ja3118224
摘要

The folding of various intra- and intermolecular i-motif DNAs is systematically studied to expand the toolbox for the control of mechanical operations in DNA nanoarchitectures. We analyzed i-motif DNAs with two C-tracts under acidic conditions by gel electrophoresis, circular dichroism, and thermal denaturation and show that their intra- versus intermolecular folding primarily depends on the length of the C-tracts. Two stretches of six or fewer C-residues favor the intermolecular folding of i-motifs, whereas longer C-tracts promote the formation of intramolecular i-motif structures with unusually high thermal stability. We then introduced intra- and intermolecular i-motifs formed by DNAs containing two C-tracts into single-stranded regions within otherwise double-stranded DNA nanocircles. By adjusting the length of C-tracts we can control the intra- and intermolecular folding of i-motif DNAs and achieve programmable functionalization of dsDNA nanocircles. Single-stranded gaps in the nanocircle that are functionalized with an intramolecular i-motif enable the reversible contraction and extension of the DNA circle, as monitored by fluorescence quenching. Thereby, the nanocircle behaves as a proton-fueled DNA prototype machine. In contrast, nanorings containing intermolecular i-motifs induce the assembly of defined multicomponent DNA architectures in response to proton-triggered predicted structural changes, such as dimerization, “kiss”, and cyclization. The resulting DNA nanostructures are verified by gel electrophoresis and visualized by atomic force microscopy, including different folding topologies of an intermolecular i-motif. The i-motif-functionalized DNA nanocircles may serve as a versatile tool for the formation of larger interlocked dsDNA nanostructures, like rotaxanes and catenanes, to achieve diverse mechanical operations.
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