發(fā)布日期：2017-12-07

2006年，加州理工學(xué)院（Caltech）的Paul Rothemund博士開(kāi)發(fā)了一種技術(shù)，能按照預(yù)先的設(shè)定，將DNA折疊成特殊的形狀。這一技術(shù)也被戲稱為“DNA折紙”。它讓科學(xué)家們能控制DNA的自我組裝，拼成特定的形狀。100納米大小的笑臉，就是科學(xué)家們的杰作。

DNA折紙技術(shù)曾于2006年登上《自然》封面（圖片來(lái)源：《自然》）

這一技術(shù)除了好玩之外，還給納米技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)了革命：人們能利用這一技術(shù)，制造出分子級(jí)的“設(shè)備”，或是分子級(jí)的“智能材料”，從而帶來(lái)無(wú)限應(yīng)用可能。然而，為了進(jìn)一步拓展納米技術(shù)的應(yīng)用前景，我們還需要大大增加“DNA折紙”的尺寸。

今日，同樣是來(lái)自加州理工學(xué)院的錢(qián)璐璐教授開(kāi)發(fā)了一種成本低廉的“DNA折紙”技術(shù)，能讓大塊大塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行自我組裝，形成完全自定義的結(jié)構(gòu)。為了彰顯這項(xiàng)技術(shù)的潛力，錢(qián)璐璐課題組用DNA創(chuàng)造了世界上最小的“蒙娜麗莎”畫(huà)。這一突破性的成就登上了最新一期《自然》雜志的封面。

本次用DNA組裝出的蒙娜麗莎（圖片來(lái)源：錢(qián)璐璐教授課題組 / 加州理工學(xué)院）

今日的研究同樣登上了《自然》封面（圖片來(lái)源：《自然》）

說(shuō)到這里，也許有些讀者會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)。DNA不是儲(chǔ)存遺傳信息的材料嗎？要它來(lái)折紙有何用？納米技術(shù)專家并不這么看。在他們眼里，DNA是一種杰出的化學(xué)材料——DNA中的四種堿基能精確地相互匹配，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

舉例來(lái)說(shuō)，為了讓DNA折成想要的形狀，納米專家們會(huì)在環(huán)境中提供一條長(zhǎng)長(zhǎng)的單鏈DNA，并輔以多條能和該單鏈長(zhǎng)DNA不同區(qū)域形成互補(bǔ)的單鏈短DNA。在精確匹配后，最初的單鏈長(zhǎng)DNA的各個(gè)互補(bǔ)區(qū)域會(huì)各自折疊，讓整個(gè)分子自組裝成我們想要的結(jié)構(gòu)。多塊不同的小折紙進(jìn)行組合，就能拼出更大的結(jié)構(gòu)。

人們對(duì)DNA折紙一直情有獨(dú)鐘（圖片來(lái)源：《自然》）

說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。想要讓DNA組裝成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，就必須對(duì)DNA的生化特性有著極為深入的理解。如果不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)每一塊折紙的折疊方式，想要組裝成復(fù)雜結(jié)構(gòu)也就無(wú)從談起。除此之外，我們還需要往上升華一層，理解每一塊DNA折紙的生化特性。只有這樣，我們才能確保不同的折紙塊找到自己的伙伴，按正確的位置組合拼接在一起。

這正是錢(qián)璐璐教授團(tuán)隊(duì)所面對(duì)的挑戰(zhàn)。為此，他們特地開(kāi)發(fā)了一款軟件，能根據(jù)輸入的圖像，設(shè)計(jì)一張“DNA”畫(huà)布。畫(huà)布由不同的DNA折紙組合而成，而每一塊DNA折紙，都需要精確的設(shè)計(jì)。

本研究的主要負(fù)責(zé)人錢(qián)璐璐教授（圖片來(lái)源：加州理工學(xué)院）

“我們可以把每一塊DNA折紙都加上不同的邊緣，讓它們和特定的DNA折紙相結(jié)合，在特定的位置發(fā)生自我組裝，從而形成一個(gè)DNA超結(jié)構(gòu)，”該研究的共同第一作者Grigory Tikhomirov博士說(shuō)道：“但這樣一來(lái)，我們就需要設(shè)計(jì)上百種不同的邊緣。這在合成上是非常昂貴的，因此很難做設(shè)計(jì)。我們希望能使用很少的邊緣特征，但依舊讓不同的折紙找到自己的位置。”

要做到這一點(diǎn)的關(guān)鍵，就是分步進(jìn)行組裝。想象一下我們是怎么玩拼圖的吧。每一片拼圖只有四條邊，而每一條邊的模樣是有限的。但如果我們先把幾片拼圖拼在一塊，就能讓這一小塊拼圖有著獨(dú)特的邊緣。我們就能以這些拼圖為中心，拼出整塊拼圖的模樣。

本研究的組裝思路（圖片來(lái)源：錢(qián)璐璐教授課題組 / 加州理工學(xué)院）

這正是錢(qián)璐璐教授課題組的思路。“我們合成了每一種小的折紙塊，并將它們放在不同的試管中。這樣的試管一共有64根，”該研究的另一名共同作者、研究生Philip Petersen說(shuō)道：“我們知道每一根試管里有什么折紙塊，因此我們知道如何對(duì)它們進(jìn)行組合，組裝出最后的產(chǎn)品。首先，我們從每4根試管里拿出折紙塊進(jìn)行組裝。這樣你就得到了16個(gè)2x2的折紙塊。用同樣的方法，我們進(jìn)一步組裝出了4x4的折紙塊。最終，我們組裝出了一整塊大的8x8折紙塊，由64個(gè)小折紙塊組成。我們?cè)O(shè)計(jì)了每一小塊的邊緣，因此我們知道它們會(huì)如何組裝。”

這一8x8的折紙塊是Rothemund博士在2006年折出的DNA的64倍大。由于研究人員不斷重復(fù)使用同樣的邊緣進(jìn)行組合，實(shí)際上研究人員們的工作量并沒(méi)有多出許多。這能在保持成本接近的同時(shí)，拓展DNA折紙的應(yīng)用前景。

研究人員們還組裝出了細(xì)菌（上）和公雞（下）（圖片來(lái)源：錢(qián)璐璐教授課題組 / 加州理工學(xué)院）

“為了讓其他對(duì)平面DNA納米結(jié)構(gòu)感興趣的研究者能快速用上我們的技術(shù)，我們開(kāi)發(fā)了一款在線軟件工具，能把用戶喜歡的圖片直接轉(zhuǎn)化為DNA鏈，并提供實(shí)驗(yàn)方法，”錢(qián)璐璐教授說(shuō)道：“這一方法能直接被機(jī)器人讀取，自動(dòng)混合DNA鏈。我們不用費(fèi)太多力氣，就能讓DNA自我組裝成我們想要的納米結(jié)構(gòu)。”

參考資料

[1] The world's smallest Mona Lisa

[2] Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns

[3] DNA self-assembly scaled up

來(lái)源：學(xué)術(shù)經(jīng)緯