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Cascaded, Feedback-Driven, and Spatially Localized Emergence of Constitutional Dynamic Networks Driven by Enzyme-Free Catalytic DNA Circuits

控制重构 化学 DNA 合成生物学 四面体 DNA纳米技术 DNA折纸 生物物理学 纳米技术 拓扑(电路) 计算生物学 计算机科学 生物化学 材料科学 生物 结晶学 组合数学 嵌入式系统 数学
作者
Zhixin Zhou,Nina Lin,Yu Ouyang,Songqin Liu,Yuanjian Zhang,Itamar Willner
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (23): 12617-12629 被引量:35
标识
DOI:10.1021/jacs.3c02083
摘要

The enzyme-free catalytic hairpin assembly (CHA) process is introduced as a functional reaction module for guided, high-throughput, emergence, and evolution of constitutional dynamic networks, CDNs, from a set of nucleic acids. The process is applied to assemble networks of variable complexities, functionalities, and spatial confinement, and the systems provide possible mechanistic pathways for the evolution of dynamic networks under prebiotic conditions. Subjecting a set of four or six structurally engineered hairpins to a promoter P1 leads to the CHA-guided emergence of a [2 × 2] CDN or the evolution of a [3 × 3] CDN, respectively. Reacting of a set of branched three-arm DNA-hairpin-functionalized junctions to the promoter strand activates the CHA-induced emergence of a three-dimensional (3D) CDN framework emulating native gene regulatory networks. In addition, activation of a two-layer CHA cascade circuit or a cross-catalytic CHA circuit and cascaded driving feedback-driven evolution of CDNs are demonstrated. Also, subjecting a four-hairpin-modified DNA tetrahedron nanostructure to an auxiliary promoter strand simulates the evolution of a dynamically equilibrated DNA tetrahedron-based CDN that undergoes secondary fueled dynamic reconfiguration. Finally, the effective permeation of DNA tetrahedron structures into cells is utilized to integrate the four-hairpin-functionalized tetrahedron reaction module into cells. The spatially localized miRNA-triggered CHA evolution and reconfiguration of CDNs allowed the logic-gated imaging of intracellular RNAs. Beyond the bioanalytical applications of the systems, the study introduces possible mechanistic pathways for the evolution of functional networks under prebiotic conditions.
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