Native Characterization of Noncanonical Nucleic Acid Thermodynamics via Programmable Dynamic DNA Chemistry

化学 核酸 适体 DNA 折叠(DSP实现) 表征(材料科学) 核酸结构 纳米技术 核糖核酸 生物化学 遗传学 生物 基因 电气工程 工程类 材料科学
作者
Yuqin Wu,Guan A. Wang,Qianfan Yang,Feng Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (26): 18041-18049 被引量:4
标识
DOI:10.1021/jacs.4c04721
摘要

Folding thermodynamics, quantitatively described using parameters such as ΔGfold°, ΔHfold°, and ΔSfold°, is essential for characterizing the stability and functionality of noncanonical nucleic acid structures but remains difficult to measure at the molecular level. Leveraging the programmability of dynamic deoxyribonucleic acid (DNA) chemistry, we introduce a DNA-based molecular tool capable of performing a free energy shift assay (FESA) that directly characterizes the thermodynamics of noncanonical DNA structures in their native environments. FESA operates by the rational design of a reference DNA probe that is energetically equivalent to a target noncanonical nucleic acid structure in a series of toehold-exchange reactions, yet is structurally incapable of folding. As a result, a free energy shift (ΔΔGrxn°) is observed when plotting the reaction yield against the free energy of each toehold-exchange. We mathematically demonstrated that ΔGfold°, ΔHfold°, and ΔSfold° of the analyte can be calculated based on ΔΔGrxn°. After validating FESA using six DNA hairpins by comparing the measured ΔGfold°, ΔHfold°, and ΔSfold° values against predictions made by NUPACK software, we adapted FESA to characterize noncanonical nucleic acid structures, encompassing DNA triplexes, G-quadruplexes, and aptamers. This adaptation enabled the successful characterization of the folding thermodynamics for these complex structures under various experimental conditions. The successful development of FESA marks a paradigm shift and a technical advancement in characterizing the thermodynamics of noncanonical DNA structures through molecular tools. It also opens new avenues for probing fundamental chemical and biophysical questions through the lens of molecular engineering and dynamic DNA chemistry.
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