核酸是生命系统中不可或缺的基石。作为遗传信息存储和转运的载体，核酸编织了生命体中一系列时空有序的化学识别和反应网络，推动生命的延续与进化。除了经典的双螺旋结构（B-DNA）之外, DNA还能形成多种特殊结构，比如A-DNA, Z-DNA, Triple, G-quadruplex, i-motif等等。这些DNA结构被广泛应用于生物医学和纳米技术等多个领域。然而天然DNA只含有A, T, G, C四种碱基，这大大限制了其信息密度、碱基功能以及结构和功能的多样性。

随着合成生物学的发展，人工碱基的设计开发为突破这一局限提供了全新路径。这些人工碱基可以形成更多样的碱基配对类型，进而有可能产生更加丰富的DNA三维结构。

近日，中国科学院杭州医学研究所谭蔚泓院士团队与美国分子进化研究所Steven A. Benner团队合作，于《Nature Chemistry》杂志在线发表了题为“A folding motif formed with an expanded genetic alphabet”的研究论文。该研究首次揭示通过在DNA序列中引入合成的核碱基（人工碱基），能够显著增加DNA分子的三维结构多样性，形成一种新的DNA折叠结构。这一发现有望对生物医药和纳米技术领域产生重大影响。

人工碱基形成的新碱基配对（中国科学院杭州医学研究所供图）

研究团队在一条由23个核苷酸组成的DNA链中引入了一种名为“Z”的人工碱基，这种人工碱基含有5-硝基-6-氨基吡啶酮核心。结果表明，Z碱基的加入不仅增加了DNA的信息密度，还促使DNA形成了一种稳定的单分子结构，称为“fZ-motif”。

通过光谱分析、凝胶电泳和二维核磁共振分析，研究团队确认，fZ-motif在微碱性环境中（pH~8.5）由六个反向的 dZ：dZ- 碱基对组成，具有极高的热稳定性，熔点达到66.5°C。而天然碱基形成的i-motif 结构通常仅在微酸性环境中（pH~6.0）稳定。

此外，fZ-motif展现了DNA在形成紧凑结构以便应用于结合和催化方面的新潜力。例如，它可以作为生物传感器或纳米级马达的一部分，实现在微小pH变化下的构象改变进而调控其生物功能。（中国科学院杭州医学研究所）

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