DNA纳米技术到底是何方神圣?

最近全新的DNA纳米技术引起了业界大佬的齐齐关注,不多说,一起去看看——

 

作为生物狗,DNA是啥就不啰嗦了,不过现在有些科学家发现DNA也是一种超赞的纳米材料!不信你看:

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天呐,DNA居然可以像积木一样搭成各种形状!没错DNA天生就适合搞建筑!Why?

 

大家想想看,DNA分子具有四种不同的碱基,两两配对,那换个角度想,按这种严谨的配对方式,如果把DNA分子作为建筑的“砖块”,碱基就是抹砖的“水泥”,牢固不说,在条件合适的情况下,它们还是自动组装的呢,用不着科学家一块砖一块砖地搭建,别提有多方便了,真是搞建筑的好胚子。

 

那DNA纳米技术能用来干什么呢?它的应用可多着呢,比如:

 

1.DNA折纸盒子(DNA Origami Box)

 

2009年的时候,丹麦奥胡斯大学的研究者做了一个DNA折纸盒子(DNA Origami Box)。这个盒子大小只有42×36×36nm,纯粹由DNA分子组成,盖子还可以打开。更奇妙的是,这盒子居然还有“锁”——盒盖上有两段DNA序列,能够识别特定外来DNA。这个盒子的锁对应特定的DNA打开,这就意味着,我们可以根据特定疾病的标志性基因造盒子。在盒子里装上药物,盒子就成了一个精准定位的药物炸弹了。研究者还很机智地给基因锁加上“指示灯”,锁打开,连接的荧光指示剂就会变色。这可比苦兮兮地各种测量要方便多了。

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何况DNA还有它的天然优势——比起别的纳米材料,细胞就是更愿意亲近DNA折纸。国家纳米科学与技术中心做过一项实验,用DNA折纸搭载阿霉素,杀伤乳腺癌细胞效果更好,连耐药癌细胞都吃这一套。

 

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2.DNA艺术作画 

 

要是以为DNA纳米技术只能用来递送药物,那你可就大错特错了。2016年,加州理工学院的科学家发挥了一把艺术天分,把DNA纳米技术和光学联系到一起,重现了梵高的名作《星空》。利用核苷酸带电这个特点,研究者指引它们在刻好的底板上安家落户,有计算机背景的读者应该联想到了,这不光是一幅画,这还是一张超级迷你的光学计算机芯片啊!

 

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这么流弊的想法是谁首先提出的呢?其实利用DNA搭建结构这个脑洞大开的想法,最早可以追溯到20世纪80年代,当时在纽约大学任教的Nadrian Seeman首次提出了DNA纳米技术的概念。他认为,利用DNA核苷酸互补的规则和合成DNA技术,我们可以在纳米级别上随便爱建什么都行。这个想法在2006年迎来了重大突破。加州理工学院的Paul Rothemund开发出了DNA折纸技术(DNA Origami)。这种技术由两部分构成,一部分是长链DNA,我们把它叫做“脚手架”;另一部分则是短链DNA,我们把它叫做“订书钉”。短链DNA是能够和长链DNA的某一部分配对的,当把它们放在一起,订书钉就会把脚手架的某些部分“钉”在一起,让长链不断折叠,形成一个固定的形状。当年Rothemund教授发表的论文里,就是使用DNA折纸技术造出了一个直径100nm大小的emoji表情。

 

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利用订书钉把脚手架折叠起来,是不是和折纸很像?

 

这个技术发展到这里可以说是已经比较成熟了。不过不知道读者有没有发现它存在的一个问题——脚手架不够长!一般来说一个脚手架长度在7200个核苷酸左右,做出的折纸怎么算也就100nm大了。再大下去,DNA链太长了,合成难度指数级上升不说,造出来的折纸也不稳定(想想超大号纸飞机那软塌塌的翅膀)。只有区区100nm,对DNA折纸的功能限制很大啊!

 

最近《自然》发表的一篇研究就解决了这个问题。加州理工学院钱露露(Lulu Qian)博士团队把小块DNA折纸像拼图一样拼起来,完美实现了预想的结构。这次登上《自然》封面的,就是世界上最小的《蒙娜丽莎》。这幅画由64块86nm见方的小DNA折纸构成,总大小达到了700nm见方。比起100nm可真是大了好多倍呢!顺便一说,这个设计过程通过FracTile Compiler软件实现,非专业人士也能够随意设计各种图形,计算机会自动计算出需要的DNA序列。

 

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钱博士这个解题思路也是比较简单直观的。单个脚手架分子长度不达标,我们就把多个折纸拼起来嘛。就像玩拼图一样,每块拼图的形状看上去很相似,其实都是唯一的,这些小DNA折纸也是这样。每块小折纸的边缘都是特殊的、两两配对的,这就保证了拼图不会拼错了。除了蒙娜丽莎,其实还做了大公鸡和细菌啥的

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说起来简单,做起来困难重重。为了让小折纸毫无误差地拼接上,研究者可能得设计上百种不同的边缘。不过,咱们可以分步拼接啊。整个大折纸是由8×8个小折纸组成的,那么我们可以先四个四个组起来,做出16个2×2的折纸,再继续四个四个组合。这样只需要设计几种边缘,重复使用就行了,工作量也大大减少了。

 

除了折纸作画,DNA还可以当乐高积木玩,不信你看:

 

2012年,哈佛Wyss研究所的尹鹏(Peng Yin)博士团队开发了一种单链DNA砖(SST)技术。在这种技术里,32个碱基长的单链DNA折叠成一块单独的DNA砖,每块砖能够和最多4个邻居相连,同年,他们又实现了利用DNA砖搭建三维结构。如果说DNA折纸技术是拼图,那么DNA砖技术就是乐高积木了。

 

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理论上,比起DNA折纸需要一次次设计DNA序列,DNA砖只需要从设计好的诸多“砖块”里挑选合适的摞起来就行了,可谓是简单方便又快速。不过它能够实现的结构大小,和折纸也差不多,再往大了做,结构不稳产量还低。最近的第二项新研究就是尹鹏博士带来的DNA砖技术最新进展。在初代版本里,一块DNA砖有4个部分(这就是为什么能和4个邻居相连),每个部分有8个核苷酸。在最新版里,每个部分的核苷酸数量上升到13个,总数达到了52个!新的DNA砖更大、结构也更复杂,复杂就意味着稳定,也更容易形成大的结构。

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和钱博士一样,尹博士也选择利用智能软件Nanobricks来设计制作所需的砖块。利用这种方法,他们成功造出了由3.3万个砖块、170万个核苷酸组成的纳米结构。研究者还炫技地在其中留下了各种形状的空腔,足以显示这套系统能够设计非常复杂的结构。

 

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就算已经有了两种成熟的技术,科学家依旧不会在探索的路上停下脚步。第三项新的研究是由德国慕尼黑理工大学Hendrik Dietz教授团队带来的。在DNA折纸和DNA砖技术的基础上,他们找到了一种新的构筑DNA纳米结构的方法。与前人一样,Dietz教授选择了“由小到大”组合的方式,不过他选择的基本元件形状有点奇怪,是个V字形,角度可以调整。

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V字怎么组合?肯定有读者想到了,以V的角为圆心,这样一圈排过去,我们就能够组成一个圆了。再以这个圆为基础,我们还能够组成圆柱(或空心圆筒)。几何学得好的朋友应该还能想到,利用这个V,我们还能够组成多面体。按照这个方法组成的圆环,直径有350nm,十二面体的直径则达到了450nm。比起平面的DNA折纸,和四四方方的DNA砖,十二面体可以说是很光滑了。这个大小,这个形状,熟悉吗?好多细胞器可就是这样咯。能够对细胞内的工作系统一探究竟,可是很多科学家的梦想呢!

 

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其实,从概念被提出来,DNA纳米结构变得越来越大、越来越复杂是个迟早的事。最新的第四项研究还把DNA合成的成本降下来了!这项研究也来自Hendrik Dietz教授团队。他们利用噬菌体生产长单链前体DNA,其中包含DNA折纸需要的长、短单链DNA,还有DNA切割酶。当长序列生产出来,就会被DNA切割酶切断,再自己组装成指定的形状。(记不记得DNA纳米技术可以在合适的条件下自组装?)把这个和DNA折纸以及DNA砖结合起来,就能实现大规模的生产应用了。更重要的是,合成DNA的成本从每毫克200美元降到了200美分,直接减少到了原来的百分之一,激动人心激动人心!三篇研究带来了搭建DNA纳米结构的新方法,一篇研究降低了关键步骤的成本,感觉DNA纳米技术马上就要大展拳脚了啊!从2006年,DNA折纸技术的发明拉开了研究的大幕,研究者已经在分子计算、生物以及医学等多个领域取得了成就。利用DNA搭建搭载平台,封装各种分子,可以用于治疗、检测;DNA和蛋白质有密不可分的关系,利用这种特性,研究者也可以研究特定生物分子的相互作用;设计DNA纳米结构响应温度、pH、离子浓度等多种条件,则有了更多更广泛的应用; 甚至,DNA造出的空腔,还可以当作制备纳米元件的模具。还有会走路能“捡钱”的DNA机器人,DNA纳米马达什么的,黑科技说都说不完。爱因斯坦说过,未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。有了DNA纳米技术,我们无疑又向微观世界更近了一步。

 

lamin b1tel

每日生物评论

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