發(fā)布日期：2017-12-07
2006年，加州理工學(xué)院（Caltech）的Paul Rothemund博士開發(fā)了一種技術(shù)，能按照預(yù)先的設(shè)定，將DNA折疊成特殊的形狀。這一技術(shù)也被戲稱為“DNA折紙”。它讓科學(xué)家們能控制DNA的自我組裝，拼成特定的形狀。100納米大小的笑臉，就是科學(xué)家們的杰作。
DNA折紙技術(shù)曾于2006年登上《自然》封面（圖片來源：《自然》）
這一技術(shù)除了好玩之外，還給納米技術(shù)領(lǐng)域帶來了革命：人們能利用這一技術(shù)，制造出分子級的“設(shè)備”，或是分子級的“智能材料”，從而帶來無限應(yīng)用可能。然而，為了進一步拓展納米技術(shù)的應(yīng)用前景，我們還需要大大增加“DNA折紙”的尺寸。
今日，同樣是來自加州理工學(xué)院的錢璐璐教授開發(fā)了一種成本低廉的“DNA折紙”技術(shù)，能讓大塊大塊的結(jié)構(gòu)進行自我組裝，形成完全自定義的結(jié)構(gòu)。為了彰顯這項技術(shù)的潛力，錢璐璐課題組用DNA創(chuàng)造了世界上最小的“蒙娜麗莎”畫。這一突破性的成就登上了最新一期《自然》雜志的封面。
本次用DNA組裝出的蒙娜麗莎（圖片來源：錢璐璐教授課題組 / 加州理工學(xué)院）
今日的研究同樣登上了《自然》封面（圖片來源：《自然》）
說到這里，也許有些讀者會產(chǎn)生疑問。DNA不是儲存遺傳信息的材料嗎？要它來折紙有何用？納米技術(shù)專家并不這么看。在他們眼里，DNA是一種杰出的化學(xué)材料——DNA中的四種堿基能精確地相互匹配，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
舉例來說，為了讓DNA折成想要的形狀，納米專家們會在環(huán)境中提供一條長長的單鏈DNA，并輔以多條能和該單鏈長DNA不同區(qū)域形成互補的單鏈短DNA。在精確匹配后，最初的單鏈長DNA的各個互補區(qū)域會各自折疊，讓整個分子自組裝成我們想要的結(jié)構(gòu)。多塊不同的小折紙進行組合，就能拼出更大的結(jié)構(gòu)。
人們對DNA折紙一直情有獨鐘（圖片來源：《自然》）
說起來容易做起來難。想要讓DNA組裝成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，就必須對DNA的生化特性有著極為深入的理解。如果不能準(zhǔn)確預(yù)測每一塊折紙的折疊方式，想要組裝成復(fù)雜結(jié)構(gòu)也就無從談起。除此之外，我們還需要往上升華一層，理解每一塊DNA折紙的生化特性。只有這樣，我們才能確保不同的折紙塊找到自己的伙伴，按正確的位置組合拼接在一起。
這正是錢璐璐教授團隊所面對的挑戰(zhàn)。為此，他們特地開發(fā)了一款軟件，能根據(jù)輸入的圖像，設(shè)計一張“DNA”畫布。畫布由不同的DNA折紙組合而成，而每一塊DNA折紙，都需要精確的設(shè)計。
本研究的主要負(fù)責(zé)人錢璐璐教授（圖片來源：加州理工學(xué)院）
“我們可以把每一塊DNA折紙都加上不同的邊緣，讓它們和特定的DNA折紙相結(jié)合，在特定的位置發(fā)生自我組裝，從而形成一個DNA超結(jié)構(gòu)，”該研究的共同第一作者Grigory Tikhomirov博士說道：“但這樣一來，我們就需要設(shè)計上百種不同的邊緣。這在合成上是非常昂貴的，因此很難做設(shè)計。我們希望能使用很少的邊緣特征，但依舊讓不同的折紙找到自己的位置。”
要做到這一點的關(guān)鍵，就是分步進行組裝。想象一下我們是怎么玩拼圖的吧。每一片拼圖只有四條邊，而每一條邊的模樣是有限的。但如果我們先把幾片拼圖拼在一塊，就能讓這一小塊拼圖有著獨特的邊緣。我們就能以這些拼圖為中心，拼出整塊拼圖的模樣。
本研究的組裝思路（圖片來源：錢璐璐教授課題組 / 加州理工學(xué)院）
這正是錢璐璐教授課題組的思路。“我們合成了每一種小的折紙塊，并將它們放在不同的試管中。這樣的試管一共有64根，”該研究的另一名共同作者、研究生Philip Petersen說道：“我們知道每一根試管里有什么折紙塊，因此我們知道如何對它們進行組合，組裝出最后的產(chǎn)品。首先，我們從每4根試管里拿出折紙塊進行組裝。這樣你就得到了16個2x2的折紙塊。用同樣的方法，我們進一步組裝出了4x4的折紙塊。最終，我們組裝出了一整塊大的8x8折紙塊，由64個小折紙塊組成。我們設(shè)計了每一小塊的邊緣，因此我們知道它們會如何組裝。”
這一8x8的折紙塊是Rothemund博士在2006年折出的DNA的64倍大。由于研究人員不斷重復(fù)使用同樣的邊緣進行組合，實際上研究人員們的工作量并沒有多出許多。這能在保持成本接近的同時，拓展DNA折紙的應(yīng)用前景。
研究人員們還組裝出了細(xì)菌（上）和公雞（下）（圖片來源：錢璐璐教授課題組 / 加州理工學(xué)院）
“為了讓其他對平面DNA納米結(jié)構(gòu)感興趣的研究者能快速用上我們的技術(shù)，我們開發(fā)了一款在線軟件工具，能把用戶喜歡的圖片直接轉(zhuǎn)化為DNA鏈，并提供實驗方法，”錢璐璐教授說道：“這一方法能直接被機器人讀取，自動混合DNA鏈。我們不用費太多力氣，就能讓DNA自我組裝成我們想要的納米結(jié)構(gòu)。”
參考資料
[1] The world's smallest Mona Lisa
[2] Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns
[3] DNA self-assembly scaled up
來源：學(xué)術(shù)經(jīng)緯
