大家说,给大家说表演用DNA“折”这个小猫咪

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来源:全球科学

由DNA组装出的三维图形概念图。图片来源:extremetech

你还认为DNA只能是中高中课本上的双螺旋吗?随着“DNA折纸技术”的发展,DNA作为生物学的主要遗传物质,已经被科学家设计并组装成各种2D和3D图案:卡通笑脸、泰迪熊、蒙娜丽莎.最近,中美科学家联合研制出“巨型DNA”,把它“钉”在一起,构建更大更复杂的结构,如四面体、六面体、棱柱,只有你想不到。

作者阎学山

编辑杨桐新洲

把DNA当折纸一样玩

DNA是人类和几乎所有其他生物的遗传物质。精确互补的配对DNA双螺旋链结构具有稳定性、自复制、设计和自组装的特点。所以在一群“贪玩”的科学家眼里,它不仅是生命遗传信息的载体,更是纳米级的平台。

通过合理的设计,是否也可以用DNA作为拼图模块甚至乐高积木来组装各种结构?事实上,从80年代基因工程技术开始,科学家们就一直在试图解决这个问题,但直到“DNA折纸技术”的诞生,才取得了真正的突破。

2006年,来自加州理工学院的研究人员首次开发出DNA折纸技术,并用DNA组装出了2D图案(引自Rothemund)

2006年,加州理工学院的保罗W。k .罗瑟蒙德首先提出了DNA折纸技术。折纸,日本人对折纸的称呼,是指将普通纸张折叠成特定形状的过程,而DNA折纸则是将一片片DNA作为“纸”,进行设计和堆叠,打造出自己想要的外观。它的原理类似于单线绘画,但它是在纳米尺度上创作的。

紧密盘绕的长链DNA充当“纸”,而许多短单链DNA类似于“钉”的功能,可以固定长链DNA的特定位置,从而在二维或三维空间堆积复杂结构。目前,科学家已经利用DNA折纸技术,创造出DNA立方体、三维DNA泰迪熊和世界上最小的《蒙娜丽莎的微笑》。

世界上最小的《蒙娜丽莎的微笑》(引自G。 Tikhomirov等)

既能玩也能应用

但DNA折纸技术是否仅限于“花式”的艺术创作?事实上,纳米机器人是DNA折纸技术最大的应用领域之一。研究人员已经生产了一种由DNA折纸结构和其他纳米工程产品(包括碳纳米管和其他纳米粒子)组成的复杂纳米机器人。这些纳米机器人可以沿着设计的路径移动,甚至可以携带金、银或其他纳米粒子。

例如,早在2018年,亚利桑那州立大学的严昊团队和中国国家纳米科学中心的研究人员联合开发了一种DNA纳米机器人传递系统。该系统可以智能地将具有治疗功能的凝血酶输送到体内肿瘤附近的血管中,从而有效地阻断肿瘤的血液供应,抑制肿瘤的生长。

当研究人员将纳米机器人应用于黑色素瘤小鼠时,他们发现纳米机器人不仅能抑制原发性肿瘤的生长,还能防止肿瘤转移。这种新的纳米技术在药物传递和疾病治疗方面具有巨大的潜力,并可能在不久的将来应用于癌症诊断和治疗。

通过DNA折纸技术构建装载有凝血酶的纳米机器人(引自Li等)

DNA通过预先设计的“订书钉”序列连接形成矩形DNA片结构,然后装载可导致血栓形成并杀死肿瘤的凝血酶、引导机器人到达肿瘤区域并控制机器人开合的核蛋白、定向序列和拉链序列,使纳米机器人能够识别肿瘤微环境信号,进而触发纳米结构变化和精确给药。

此外,DNA折纸技术还可以推动信息存储和加密领域的发展。DNA信息的存储效率是目前存储方式的500万倍,而且DNA比容易发生机械故障的硬盘更稳定。因此,像谷歌、微软这样的计算机巨头都在竞相开发可以用DNA存储信息的黑技术。

如果在此基础上使用DNA折纸技术,与原始链DNA相比,只能显示碱基排列顺序、序列长度等一维信息。DNA折纸技术集成的DNA图案还可以包含空间位置排列、集成单元数量等二维和三维信息,大大提高了DNA的信息承载能力。

DNA再次玩出新高度

经过近20年的发展,DNA折纸技术可以组装的作品尺寸比罗塞姆德创造的原始“笑脸”增加了几倍甚至几百倍,但仍然难以组装出更大(微米到毫米大小)更复杂的DNA结构。然而,最近,严昊的团队与上海交通大学范春海院士团队合作,创造了一种前所未有的巨型DNA,称为元DNA(Meta-DNA,或M-DNA),这将DNA组装带到了一个新的水平。

元DNA结构,每一条单链其实有6束DNA。(引自Yao等)

元DNA仍然属于DNA折纸技术领域,也是由许多长链和短链DNA整合而成,但更令人惊讶的是,每条螺旋链都是由6条天然DNA单链组成。这种结构相当于人发的宽度,直径是原来DNA纳米结构的1000倍。即便如此,元DNA仍然可以呈现双螺旋结构。

此外,这种亚微米6螺旋DNA结构可以像单链DNA的扩增版本一样自组装。单链不仅可以通过短的“短链”DNA连接,还可以通过特定的碱基对互补配对。通过人工设计“钉书钉”的分布,科学家可以轻松改变元DNA的刚性和柔性,方便构建不同的三维结构。研究人员仅通过改变单个元DNA的局部柔性和相互作用,就成功构建了一系列亚微米或微米级的一维到三维DNA结构,包括四面体、八面体、棱柱和六密堆积晶格。

以元DNA为单元构建的几何结构(引自Yao等)

在这项研究中,研究人员不仅构建了左手和右手元DNA来测试这种新型“乐高积木”的性能,还通过计算机编程设计和组装了一系列尺寸从亚微米到微米的几何结构,从而将DNA纳米技术推向了一个新的高度。直径2 nm的原始DNA已经从纳米级扩展到微米级近千倍!

这项研究的通讯作者之一严昊解释说,“元DNA是一种通用策略,它可以让各种亚微米到微米大小的DNA结构自组装,就像自然的DNA自组装一样”。这不仅有助于构建更精细的“DNA乐高模型”或更复杂的纳米机器人,还将促进其他纳米尺度应用的进一步发展,如生物电路、纳米传感器、人工细胞等。未来可能会出现更大的DNA结构。