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DNA折纸术 “折”出生命所需神奇图案

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线框式DNA纳米结构

DNA(脱氧核糖核酸)是一种传递生命密码的神奇物质,它为人所熟知的是双螺旋结构,时至今日,这种生命的分子竟然会变得如此富有创意。

清华大学生命科学学院魏迪明分子设计课题组和清华大学医学院向烨课题组在《自然·通讯》杂志上发表论文称,他们以DNA简单分支作为结构单位,构建了管状结构、多面体和多层三维阵列结构等复杂结构,这使得核酸分子设计的最初蓝图得以实现。

把DNA自组装成所需二维图案

作为一种天然的生物大分子,DNA不仅是生命的密码,还可作为制造纳米级构件和机器的通用元件。由于DNA的尺寸为纳米级别,具有刚性结构、编码性强的特点,于是,DNA纳米技术的研究者利用DNA分子的自组装特性,根据核酸碱基互补配对的作用,设计并在试管中构造出精确而复杂的、纳米级精度的有序结构。这种DNA纳米结构还可以在特定的位置对DNA链进行修饰,使之作为支架引导其他分子或纳米材料进行可控的自组装。

这一新兴的领域被称为DNA折纸技术。折纸是指人们能用一张纸,就可折叠出飞机、青蛙和花朵。同样的,发明DNA折纸技术的科学家使用比头发丝还细一千倍的DNA和RNA等核酸分子,折叠、自组装成复杂的结构。而当DNA中互补的核苷酸碱基接触并结合时,就会产生这样的结果。

2006年,加州理工学院的科研团队通过DNA折纸术,选用噬菌体M13的基因组DNA作为长链,然后用两百多条短的单链DNA通过碱基互补配对原则,“钉”在长链构成的支架上,将长链折叠成想要的矩形、三角形、五角星和笑脸等多种二维平面图案。

传统的DNA自组装方式是要先用酶将DNA分子“切”开,然后在模具中重新组建其双螺旋结构。与之相比,DNA折纸术不仅能在纳米尺度上进行更为精确的组装与排列,得到更复杂精细的可编程图案与结构,而且实验操作更为简便、组装效率更高。

一条长单链DNA代替许多短链DNA

不过,使用长短链配对组合的DNA折纸技术时,由于具有如此多的短链DNA,科学家不能利用生物系统,将它们进行复制,因此,解决这个问题的一种方法是,设计一条能够自我折叠成任何结构的长链DNA。2017年,美国亚利桑那州立大学和哈佛大学的研究人员开发出一种单链折纸术,使用长而细的面条状单链DNA或RNA(核糖核酸),先后经过加热和冷却处理,使其折叠成所设计的结构。

科学家通过破解RNA的结构形成机制,通过克隆其序列,在大肠杆菌等活细胞中,或利用酶在试管中制造出所需要的特定结构单链DNA和RNA。

纳米机器人实现精准医疗

我国科学家在DNA折纸技术方面也取得了较多突破,2017年清华大学魏迪明分子设计实验室就提出了一种新的构建DNA折纸结构方法,即折叠骨架DNA形成链交换位点,以骨架DNA的折叠片作为结构模块,相邻的结构模块通过平行排列的支架DNA互相固定。这种构建让DNA折纸结构变得模块化,从而降低了DNA折纸结构的设计难度和成本,并提高了所得结构的可变性和复杂度。

DNA折纸技术的应用正在深入。科技部基础研究管理中心发布的2018年度中国科学十大进展中,就包括国家纳米科学中心等研发的纳米机器人项目。对此,中科院化学研究所研究员高明远评价说,不同于众所周知的化疗、靶向治疗策略,纳米机器人项目组提出了一个全新的治疗方式。“首先用DNA折纸技术构建了一个片状的分子,然后把它折叠起来,形成一个药物载体。在这个载体的边缘,加载了可以识别肿瘤的分子。这个药物载体到达肿瘤区域被识别后才会再打开,把里面包载的药物释放出来,实现肿瘤的精准治疗。”

目前,利用DNA折纸技术研发的纳米机器人已经实现在猪和小鼠等活体血管内稳定工作,并高效完成定点药物输运功能。而清华大学生命科学学院等公布的最新研究中,构建的管状、多面体和多层三维阵列等结构的每条短链DNA具有不同序列,能进行特定位点的序列设计和修饰,因此,可为精准医疗等提供更好的支撑。

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