图 框架核酸分子机器
在国家自然科学基金项目（批准号：T2188102、22025404、22174092和21991134）等资助下，上海交通大学左小磊研究员及毛秀海副研究员团队发展了一种基于框架核酸的分子机器，这些分子机器通过机械形变诱发荧光变色，可对细胞单囊泡神经递质释放过程中的运动行为进行实时监测。研究成果以“利用DNA框架纳米机器实现单突触囊泡中的机械致荧光变色（Mechano-fluorescence actuation in single synaptic vesicles with a DNA framework nanomachine）”为题，于2022年12月21日发表在《科学•机器人学》（Science Robotics）。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abq5151。
设计具有环境响应性的动态分子机器，特别是能够在细胞环境内执行复杂任务的分子机器具有很大的挑战。目前一些常规环境响应性材料，例如小分子染料、量子点等，存在信噪比低、材料泄漏率高等问题，难以实现对细胞内复杂生物学过程（例如突触囊泡的递质释放过程）长时程全过程监测。
针对这一挑战性问题，该团队提出了基于四面体框架核酸的机械形变诱发荧光变色的新原理，研制出了一种模仿章鱼的框架核酸动态变构分子机器（图）。机械形变诱发荧光变色有效提高了荧光变色的信噪比，使得该分子机器能够分辨出瞬时融合（kiss and run）以及完全融合（full-collapse fusion）两种典型的释放过程。另外，这种分子机器的尺寸在3-45纳米之间可以进行程序化设计，研究发现，边长尺寸为10纳米的分子机器，具有最低的泄漏率，为实现突触囊泡递质释放全过程监测奠定了技术基础。该方法通过在框架核酸不同区域装配动态核酸功能组件，实现了框架核酸动态变构以及对环境pH变化的特异性响应，进一步与核酸适体结合，可拓展至对多种环境因素变化的响应（例如离子、小分子、蛋白质等）。