分子开关在靶标结合后能发生构型转换，是调节多种生物学功能的自然进化机制。受此启发，众多化学家和合成生物学学家致力于开发人工合成的分子开关，使其能够模拟生命体系中的多种行为并应用于生物传感、成像和治疗等领域。核酸适体（aptamer）对其靶标分子具有高亲和力和选择性，且能通过Waston-Crick碱基配对关系进行性能调控，是开发人工分子开关的理想功能材料。然而，当前核酸适体开关普遍存在较高的温度敏感性，影响了其在使用过程中的稳定性与重现性，是当前适体分子开关的主要研究瓶颈之一。
近日，我院李峰教授课题组系统研究了核酸适体开关温度敏感性的热力学基础，并利用toehold-exchange反应，开发了接近零焓变的适体开关激活新策略，成功增强了适体传感器的热稳定性和可编程性。本工作通过理论研究发现传统基于双链或发卡结构的适体开关，其激活过程存在较高的反应焓变，是其热不稳定性的主要热力学因素。在此认识的基础上引入可自由调控反应焓的toehold-exchange反应，从而实现接近零焓变的适体开关激活，有效提高了适体开关的热稳定性。进一步实验研究证明，该策略不但可以提高适体开关的传感稳定性与日间重现性，同时可以动态编辑适体开关对靶标分子的亲和力，拓展其动态响应的浓度区间。该设计还可以与现有动态DNA纳米技术无缝对接，通过与熵驱动的催化DNA网络级联，成功开发了能够模拟生物体放大激活信号的过程。
该研究成果以“Toehold-Exchange-Based Activation of Aptamer Switches Enables High Thermal Robustness and Programmability”为题目发表在Journal of the American Chemical Society上，四川大学为第一单位，化学学院李峰教授为本文通讯作者，专职博士后王冠和2022级博士研究生伍星红为本文的共同第一作者。该工作得到国家自然科学基金和四川大学青苗计划的经费支持。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c10928
