杜克大學(xué)(Duke University)和亞利桑那州立大學(xué)(Arizona State University)研究實驗室里出現(xiàn)的微小納米級結(jié)構(gòu)令人驚嘆，你很容易想象自己正在瀏覽世界上最小的陶器目錄。

一篇新論文揭示了這些團隊的一些發(fā)明:小花瓶、碗和空心球體，一個藏在另一個里面，就像俄羅斯套娃的家庭用品。

但研究人員不是用木頭或粘土制作這些物體，而是用線狀的DNA分子設(shè)計這些物體，彎曲和折疊成復(fù)雜的三維物體，精度達到納米級。

這些發(fā)明展示了杜克大學(xué)博士生Dan Fu和他的導(dǎo)師John Reif開發(fā)的一種新的開源軟件程序的可能性。12月23日發(fā)表在《科學(xué)進展》(Science Advances)雜志上的報道稱，該軟件允許用戶繪制圓形圖形或數(shù)字模型，并將其轉(zhuǎn)化為DNA組成的3D結(jié)構(gòu)。

DNA納米結(jié)構(gòu)由合著者Raghu Pradeep Narayanan和Abhay Prasad在亞利桑那州立大學(xué)的Hao Yan教授的實驗室組裝和成像。每個微小的空心物體直徑不超過百萬分之二英寸。一根針尖上就能裝下5萬多個。

但研究人員表示，這些不僅僅是納米雕塑。該軟件可以讓研究人員創(chuàng)造出運送藥物的微型容器，或者為太陽能電池、醫(yī)學(xué)成像和其他應(yīng)用創(chuàng)造出鑄造特定形狀的金屬納米顆粒的模具。

對大多數(shù)人來說，DNA是生命的藍圖;所有生物的基因指令，從企鵝到楊樹。但對于賴夫和嚴的團隊來說，DNA不僅僅是遺傳信息的載體——它是源代碼和建筑材料。

在DNA的遺傳密碼中有四個“字母”或堿基，它們在我們的細胞中以一種可預(yù)測的方式配對，形成DNA階梯的梯級。研究人員采用的正是DNA嚴格的堿基配對特性——A與T, C與G。通過設(shè)計具有特定序列的DNA鏈，他們可以“編程”這些鏈將自己拼湊成不同的形狀。

這種方法包括折疊一條或幾條單鏈DNA長片段(數(shù)千個堿基長)，借助幾百條短DNA鏈與長鏈上的互補序列結(jié)合，并將它們“固定”在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

自20世紀80年代以來，研究人員一直在試驗將DNA作為建筑材料。最早的3D形狀是簡單的立方體、金字塔、足球——表面粗糙塊狀的幾何形狀。但要設(shè)計出更類似于自然界中發(fā)現(xiàn)的曲面結(jié)構(gòu)一直很棘手。該團隊的目標是擴大這種方法可能產(chǎn)生的形狀的范圍。

為此，研究人員開發(fā)了一款名為DNAxiS的軟件。該軟件依賴于Yan在2011年描述的一種DNA構(gòu)建方法。20年前，Yan在加入亞利桑那州立大學(xué)之前，曾在杜克大學(xué)與Reif一起做博士后。它的工作原理是將長DNA雙螺旋螺旋盤繞成相互堆疊的同心圓，形成物體的輪廓，就像用粘土線圈制作罐子一樣。為了使結(jié)構(gòu)更堅固，該團隊還可以用額外的層來加固它們，以增加穩(wěn)定性。

Fu向我們展示了它們能做出的各種形狀:球果、葫蘆、三葉草的形狀。DNAxiS是第一個允許用戶自動設(shè)計這種形狀的軟件工具，使用算法確定在哪里放置短的DNA“釘”，將較長的DNA環(huán)連接在一起，并保持形狀不變。

“如果它們太少，或者它們在錯誤的位置，結(jié)構(gòu)就不會正確形成，在我們的軟件出現(xiàn)之前，形狀的曲率使這個問題特別困難?！?/p>

例如，給定一個蘑菇形狀的模型，計算機就會吐出一串DNA鏈，這些DNA鏈可以自我組裝成正確的結(jié)構(gòu)。一旦DNA鏈被合成并在試管中混合，剩下的事情就會自行解決:通過加熱和冷卻DNA混合物，在短短12小時內(nèi)，“它就像魔法一樣折疊成DNA納米結(jié)構(gòu)”。

研究人員說，他們的DNA設(shè)計軟件在實驗室或臨床的實際應(yīng)用可能還需要數(shù)年時間。但Reif說:“這在自動設(shè)計新型三維結(jié)構(gòu)方面是向前邁出的一大步?！?/p>

本研究由美國國家科學(xué)基金會資助(1909848,2113941,2004250,1931487)。

文章標題

Automated Design of 3D DNA Origami With Non-Rasterized 2D Curvature