近日，瑞典研究人員開發(fā)出一種完全使用DNA單鏈構(gòu)建納米級結(jié)構(gòu)和形狀的技術(shù)。有讀者可能會問，這種技術(shù)有什么用？難道我們還要用DNA鏈3D打印一個兔子或者甜甜圈？其實，該技術(shù)的主要作用是創(chuàng)建出DNA大小的結(jié)構(gòu)使其與人類細胞以及構(gòu)成細胞的各種分子進行相互作用。人們可以對這些結(jié)構(gòu)進行特殊設(shè)計，使其能夠為人體提供救生藥物或營養(yǎng)物質(zhì)，其形狀將決定它們將會如何或在什么時候被人體吸收。

這就為徹底治愈人類面臨的一些重大疾病帶來了希望。比如說癌癥，醫(yī)生們可以使用這種技術(shù)關(guān)閉癌細胞的生長能力或者使其周圍組織腐爛。這些構(gòu)建體也可用于傳遞藥物，使其被吸引到身體的特定部分，并只影響該區(qū)域，而不是破壞周圍的組織。據(jù)了解，這種折疊DNA的方法被稱為“DNA折紙術(shù)（DNA origami）”，雖然它并不是第一個被設(shè)計用來構(gòu)建納米級DNA結(jié)構(gòu)的方法，但是卻被認為是最通用、最簡化的一種方法。

實時自組裝的DNA納米結(jié)構(gòu)

“三維DNA折紙術(shù)傳統(tǒng)上采用密排螺旋，它能夠產(chǎn)生實心磚般的形狀，人們可以使用干態(tài)負染色透射電子顯微鏡看到它。但是這種新的技術(shù)將DNA折紙術(shù)用在了生物研究中，但是在這個領(lǐng)域，DNA結(jié)構(gòu)的有些屬性，比如在低鹽條件下的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的靈活性十分重要，因此這里更加青睞單層、中空的結(jié)構(gòu)。我們在這里報告的這種新的設(shè)計模式，采用了單獨的雙螺旋作為結(jié)構(gòu)元件，而不是密排的螺旋束，從而完全緩解了對于鹽分進行非生理濃縮的需要。使得科學(xué)家們有望在細胞生物學(xué)方面以及活的有機體內(nèi)進行更多的實驗，因為該模型系統(tǒng)條件和真正的生物環(huán)境之間更加匹配。”研究人員在這個星期發(fā)表在《Nature》上的論文中說。

該論文的主要作者Bjorn Hogberg博士和他的研究小組已經(jīng)能夠用DNA單鏈構(gòu)建出幾種形狀和配置，其中包括球形、棒形、瓶形、人形，甚至包括一只兔子。盡管DNA的直徑通常會小于100納米（0.0001毫米），但是這些DNA的構(gòu)建體還不可能做到很小。不過這也不是業(yè)余的DNA設(shè)計師所能做到的。雖然這些形狀很容易設(shè)計，而實際打印出來則需要大量的資源，比如您需要對DNA進行排序并將它們吸取在一起，只有專業(yè)的研究實驗室才有可能做到這些。

不過Hogberg的團隊已經(jīng)發(fā)布了完整的算法代碼，希望其他實驗室將能夠加入進來，簡化其技術(shù)。

成功組裝DNA納米結(jié)構(gòu)的過程。

該技術(shù)的操作過程是這樣的，研究人員先將所需要的形狀輸入到計算機，然后通過一種專門的算法計算出以最有效的方式將一個長長的、連續(xù)的DNA鏈折疊成特殊的形狀。然后，還有一些DNA短鏈會起到“訂書針”的作用，會幫助維持已經(jīng)形成的DNA形狀，并將其固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩＿@些“DNA訂書針”主要由兩個DNA序列構(gòu)成，它們將會與DNA長鏈上的特定點相匹配。這些序列會與這些匹配點彼此吸引并與長鏈結(jié)合，使其作為一個穩(wěn)定的圍觀生物構(gòu)建體保持在一起。

可以用基本的3D軟件編輯DNA結(jié)構(gòu)

所以從字面上說，DNA折紙術(shù)其實也很簡單，一旦選定形狀之后，它們是自動構(gòu)建，幾乎不需要人工干預(yù)。計算機算法會簡單地提供一個構(gòu)建所需3D對象所需要的DNA鏈列表；然后該列表被發(fā)送到實驗室，在這里將會合成所需各個單獨的DNA鏈；最后，當(dāng)所有的DNA鏈被混合在一起的時候，就會根據(jù)設(shè)計的互相結(jié)合，進行自組裝從而形成指定的形狀。

這種算法是由在瑞典Karolinska學(xué)院的Hogberg團隊開發(fā)的，并得到了來自芬蘭Aalto大學(xué)的一個團隊的幫助。他們共同發(fā)現(xiàn)，這些由單鏈、動態(tài)成形的DNA構(gòu)建體是在分子水平上與人體相互作用的理想結(jié)構(gòu)。為了能夠輕松地創(chuàng)建這些形狀，他們利用DNA的性質(zhì)去模擬多邊的3D形狀，而這些3D形狀可在計算機設(shè)計中用于構(gòu)建3D模型。這種方法不僅更加有效，而且更加容易與普通的3D設(shè)計和3D打印軟件兼容。