DNA链二级结构调控链置换反应设计策略

doi:10.7503/cjcu20250174

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (10): 20250174.doi: 10.7503/cjcu20250174

DNA链二级结构调控链置换反应设计策略

李子慕¹, 汤雨晴¹, 程嘉宁¹, 孙晨蕴¹, 吕慧²(), 左小磊¹()

^1.上海交通大学化学化工学院，化学生物协同物质创制全国重点实验室, 新基石科学实验室, 变革性分子前沿科学中心, 转化医学国家科学中心, 上海 200240
^2.上海大学理学院材料生物学研究所, 上海 200444

收稿日期:2025-06-23 出版日期:2025-10-10 发布日期:2025-08-12
通讯作者: 吕慧,左小磊 E-mail:lvhui92@shu.edu.cn;zuoxiaolei@sjtu.edu.cn
作者简介:第一联系人：共同第一作者.
基金资助:
国家自然科学基金(T2188102)

Design Strategies for DNA Strand Displacement Reactions via Secondary Structure Modulation of DNA Strands

LI Zimu¹, TANG Yuqing¹, CHENG Jianing¹, SUN Chenyun¹, LYU Hui²(), ZUO Xiaolei¹()

^1.State Key Laboratory of Synergistic Chem?Bio Synthesis，School of Chemistry and Chemical Engineering，New Cornerstone Science Laboratory，Frontiers Science Center for Transformative Molecules，National Center for Translational Medicine，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China
^2.Institute of Materiobiology，College of Sciences，Shanghai University，Shanghai 200444，China

Received:2025-06-23 Online:2025-10-10 Published:2025-08-12
Contact: LYU Hui, ZUO Xiaolei E-mail:lvhui92@shu.edu.cn;zuoxiaolei@sjtu.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(T2188102)

摘要/Abstract

摘要：

对DNA置换反应的输入单链引入多种不同类型的自身互补结构, 以改变其自由能及构象, 探究了不同结构对链置换反应速率的影响. 研究发现, 链置换反应速率随互补结构长度的增加而减慢. 这一现象在立足点区域设计互补结构的效果比干区形成互补结构更为明显. 在链置换反应的输入链中引入二级结构, 对DNA链置换反应速率产生不同程度的降低, 甚至阻止反应进行. 最后, 阐释了二级结构影响链置换反应速率的机制, 为扩宽DNA链置换反应的时域调控能力, 并提升其DNA分子计算、生物传感等领域的应用提供了新思路.

关键词: DNA链置换反应, 二级结构, 反应动力学

Abstract:

In this study， various types of self-complementary secondary structures were introduced into the input single-strand DNA of strand displacement reactions to change their free energy and conformations， aiming to investigate the influence of different structures on the rate of the strand displacement reaction. We found that the reaction rate decreased as the length of the self-complementary structure increased. This effect was more pronounced when the self-complementary structure was designed in the toehold domain than when it formed in the non-toehold region. The incorporation of secondary structures into the input strands led to varying degrees of reduction in strand displacement reaction rates， and in some cases， completely inhibited the reaction. Finally， we elucidate the mechanism by which secondary structures influence the kinetics of strand displacement reactions， offering new insights into expanding the temporal regulation capabilities of DNA strand displacement and advancing its applications in DNA molecular computing and biosensing.

Key words: DNA strand displacement reaction, Secondary structure, Reaction kinetics

中图分类号:

O651

TrendMD:

李子慕, 汤雨晴, 程嘉宁, 孙晨蕴, 吕慧, 左小磊. DNA链二级结构调控链置换反应设计策略. 高等学校化学学报, 2025, 46(10): 20250174.

LI Zimu, TANG Yuqing, CHENG Jianing, SUN Chenyun, LYU Hui, ZUO Xiaolei. Design Strategies for DNA Strand Displacement Reactions via Secondary Structure Modulation of DNA Strands. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(10): 20250174.

图/表 6

Table 1 Annealing procedure for the preparation of DNA double-stranded structures

Temperature/℃	95	95—25	25—4	4
Time gradient	5 min	‒0.1 ℃/6 s	Direct cooling	∞

Fig.1 Strand displacement reactions using inputs with secondary structure in the toehold domain（A） Secondary structures and free energy of DNA inputs（1 kcal=4.184 kJ）；（B） fluorescence kinetics test results without annealing；（C） half reaction time.

Fig.2 Strand displacement reactions using annealed inputs with secondary structure in the toehold domain（A） Fluorescence kinetics test results；（B） half reaction time；（C） relationship between half reaction time and free energy change（1 kcal=4.184 kJ）.

Fig.3 Strand displacement reactions using inputs with secondary structure in the stem domain（A） Secondary structures and free energy of DNA inputs（1 kcal=4.184 kJ）；（B） fluorescence kinetics test results without annealing；（C） half reaction time.

Fig.4 Strand displacement reactions using annealed inputs with secondary structure in the stem domain（A） Fluorescence kinetics test results；（B） half reaction time；（C） changes in free energy with different self-hybridization lengths in stem domain（1 kcal=4.184 kJ）；（D） relationship between half reaction time and free energy change.

Fig.5 Strand displacement reactions using inputs with mixed secondary structure（A） Mixed secondary structure design and free energy of the input（1 kcal=4.184 kJ）；（B） fluorescence kinetics test results after annealing；（C） half reaction time.

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