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近日，瑞典研究人員開(kāi)發(fā)出一種完全使用DNA單鏈構(gòu)建納米級(jí)結(jié)構(gòu)和形狀的技術(shù)。有讀者可能會(huì)問(wèn)，這種技術(shù)有什么用？難道我們還要用DNA鏈3D打印一個(gè)兔子或者甜甜圈？其實(shí)，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(xì)胞以及構(gòu)成細(xì)胞的各種分子進(jìn)行相互作用。人們可以對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，使其能夠?yàn)槿梭w提供救生藥物或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其形狀將決定它們將會(huì)如何或在什么時(shí)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(lái)了希望。比如說(shuō)癌癥，醫(yī)生們可以使用這種技術(shù)關(guān)閉癌細(xì)胞的生長(zhǎng)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(gè)被設(shè)計(jì)用來(lái)構(gòu)建納米級(jí)DNA結(jié)構(gòu)的方法，但是卻被認(rèn)為是最通用、最簡(jiǎn)化的一種方法。

實(shí)時(shí)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(shí)心磚般的形狀，人們可以使用干態(tài)負(fù)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(gè)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?cè)谶@里報(bào)告的這種新的設(shè)計(jì)模式，采用了單獨(dú)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(duì)于鹽分進(jìn)行非生理濃縮的需要。使得科學(xué)家們有望在細(xì)胞生物學(xué)方面以及活的有機(jī)體內(nèi)進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樵撃Ｐ拖到y(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(gè)星期發(fā)表在《Nature》上的論文中說(shuō)。

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(huì)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(guò)這也不是業(yè)余的DNA設(shè)計(jì)師所能做到的。雖然這些形狀很容易設(shè)計(jì)，而實(shí)際打印出來(lái)則需要大量的資源，比如您需要對(duì)DNA進(jìn)行排序并將它們吸取在一起，只有專業(yè)的研究實(shí)驗(yàn)室才有可能做到這些。

不過(guò)Hogberg的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)布了完整的算法代碼，希望其他實(shí)驗(yàn)室將能夠加入進(jìn)來(lái)，簡(jiǎn)化其技術(shù)。

成功組裝DNA納米結(jié)構(gòu)的過(guò)程。

該技術(shù)的操作過(guò)程是這樣的，研究人員先將所需要的形狀輸入到計(jì)算機(jī)，然后通過(guò)一種專門(mén)的算法計(jì)算出以最有效的方式將一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)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(huì)起到“訂書(shū)針”的作用，會(huì)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?。這些“DNA訂書(shū)針”主要由兩個(gè)DNA序列構(gòu)成，它們將會(huì)與DNA長(zhǎng)鏈上的特定點(diǎn)相匹配。這些序列會(huì)與這些匹配點(diǎn)彼此吸引并與長(zhǎng)鏈結(jié)合，使其作為一個(gè)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(shuō)，DNA折紙術(shù)其實(shí)也很簡(jiǎn)單，一旦選定形狀之后，它們是自動(dòng)構(gòu)建，幾乎不需要人工干預(yù)。計(jì)算機(jī)算法會(huì)簡(jiǎn)單地提供一個(gè)構(gòu)建所需3D對(duì)象所需要的DNA鏈列表；然后該列表被發(fā)送到實(shí)驗(yàn)室，在這里將會(huì)合成所需各個(gè)單獨(dú)的DNA鏈；最后，當(dāng)所有的DNA鏈被混合在一起的時(shí)候，就會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)的互相結(jié)合，進(jìn)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的，并得到了來(lái)自芬蘭Aalto大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)的幫助。他們共同發(fā)現(xiàn)，這些由單鏈、動(dòng)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(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)和3D打印軟件兼容。