Accelerated Screening of Alternative DNA Base‐Organic Molecule‐Base Architectures via Integrated Theory and Experiment

基础(拓扑) 有机分子 纳米技术 分子 DNA 化学 碱基对 组合化学 材料科学 有机化学 生物化学 数学 数学分析
作者
Xinyu Feng,Xianwen Wang,Jiahe Liu,Aiting Fu,Ying Wang,Shuheng Wei,Huichao Chen,Rui She,Yangying Wang,Xiao Cui,Hui Hou,Yuanyuan Xu,Yujing Wu,Qian Meng,Lingling Zhang,Song Wang,Jiemin Zhao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (35)
标识
DOI:10.1002/anie.202408003
摘要

Organic molecule-mediated noncanonical DNA self-assembly expands the standard DNA base-pairing alphabets. However, only a very limited number of small molecules have been recognized as mediators because of the tedious and complicated experiments like crystallization and microscopy imaging. Here we present an integrative screening protocol incorporating molecular dynamics (MD) for fast theoretical simulation and native polyacrylamide gel electrophoresis for convenient experimental validation. Melamine, the molecule that was confirmed mediating noncanonical DNA base-pairing, and 38 other candidate molecules were applied to demonstrate the feasibility of this protocol. We successfully identified seven stable noncanonical DNA duplex structures, and another eight novel structures with sub-stability. In addition, we discovered that hairpins at both ends can significantly stabilize the noncanonical DNA structures, providing a guideline to design small organic molecule-incorporated DNA structures. Such an efficient screening protocol will accelerate the design of alternative DNA-molecule architectures beyond Watson-Crick pairs. Considering the wide range of potential mediators, it will also facilitate applications such as noncovalent, highly dense loading of drug molecules in DNA-based delivery system and probe design for sensitive detection of certain molecules.
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