洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員發現，控制納米材料和蛋白質表面之間的超選擇性結合相互作用不僅取決於分子密度，還取決於模式和結構剛性。這一突破有可能優化現有的病毒預防和癌症檢測技術。

關於DNA材料上不同配體模式的原始顯微鏡數據

生物學的許多內容都歸結為結合的生物物理過程：使一個或多個原子組–被稱為配體–與表面上相應的受體分子之間建立起強有力的聯繫。結合事件是使病毒感染宿主，或化療抗癌的第一個基本過程。但是結合的相互作用–至少是我們對它們的理解–有一個”Goldilocks問題”：一個分子上的配體太少，就不可能與正確的目標穩定地結合，而太多則會導致不受歡迎的副作用。

工程學院可編程生物材料實驗室（PBL）負責人Maartje Bastings解釋說：”當結合由目標受體的閾值密度觸發時，我們稱之為”超選擇性”結合，這是防止可能失調生物功能的隨機相互作用的關鍵。由於自然界通常不會使事情過度複雜化，我們想知道仍然允許發生超選擇性結合的最低數量的結合相互作用。我們還想知道配體分子的排列模式是否對選擇性有影響。事實證明，它確實如此！”

巴斯廷斯和她的四個博士生最近在《美國化學學會雜誌》上發表了一項研究，確定了超選擇性結合的最佳配體數量：六個。但令他們興奮的是，他們還發現，這些配體的排列方式–例如排成一條線、一個圓或一個三角形–也大大影響結合效果。他們將這種現象稱為”多價模式識別”或MPR。

“MPR圍繞著生物和免疫學過程中的分子通訊可能如何工作，開闢了一套全新的假設。例如，SARS-CoV-2病毒有一種用於與細胞表面結合的尖峰蛋白模式，當涉及到選擇性時，這些模式可能真的很關鍵。”

從冠狀病毒到癌症

由於其雙螺旋結構是如此精確和被充分理解，DNA是PBL研究的完美模型分子。在這項研究中，該團隊設計了一個完全由DNA製成的剛性圓盤，其中所有配體分子的位置和數量都可以精確控制。在設計了一系列配體-受體架構以探索密度、幾何形狀和納米間距如何影響結合的超選擇性之後，該團隊意識到，剛性是一個關鍵因素。巴斯廷斯總結說：”越靈活，越不精確。”

“我們的目標是以盡可能簡約的方式雕刻出設計原則，以便每個配體分子都能參與結合互動。我們現在擁有的是一個非常好的工具箱，可以進一步利用生物系統中的超選擇性結合相互作用。”

這樣一個”工具箱”的應用是深遠的，但巴斯廷斯看到了三個立即有價值的用途。她說：”不管你喜不喜歡，SARS-CoV-2病毒目前是涉及到病毒學應用時的第一個想法。有了我們研究中的見解，人們可以想像開發一種具有配體模式的超級選擇性粒子，旨在與病毒結合以防止感染，或阻斷細胞部位，使病毒無法感染。”

診斷和治療方法，如化療，也可以從超級選擇性中受益，這可以使其與癌細胞的結合更加可靠，因為已知某些受體分子具有更高的密度。在這種情況下，健康細胞將不被發現，從而大大減少副作用。

最後，這種選擇性工程可以提供對免疫系統內復雜的相互作用的關鍵見解。精確地玩弄結合點發生的模式，在某種意義上，可以與免疫系統進行潛在的’交流’。