線框式DNA納米結(jié)構(gòu)

DNA（脫氧核糖核酸）是一種傳遞生命密碼的神奇物質(zhì)，它為人所熟知的是雙螺旋結(jié)構(gòu)，時(shí)至今日，這種生命的分子竟然會(huì)變得如此富有創(chuàng)意。

清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院魏迪明分子設(shè)計(jì)課題組和清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院向燁課題組在《自然·通訊》雜志上發(fā)表論文稱，他們以DNA簡單分支作為結(jié)構(gòu)單位，構(gòu)建了管狀結(jié)構(gòu)、多面體和多層三維陣列結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這使得核酸分子設(shè)計(jì)的最初藍(lán)圖得以實(shí)現(xiàn)。

把DNA自組裝成所需二維圖案

作為一種天然的生物大分子，DNA不僅是生命的密碼，還可作為制造納米級(jí)構(gòu)件和機(jī)器的通用元件。由于DNA的尺寸為納米級(jí)別，具有剛性結(jié)構(gòu)、編碼性強(qiáng)的特點(diǎn)，于是，DNA納米技術(shù)的研究者利用DNA分子的自組裝特性，根據(jù)核酸堿基互補(bǔ)配對(duì)的作用，設(shè)計(jì)并在試管中構(gòu)造出精確而復(fù)雜的、納米級(jí)精度的有序結(jié)構(gòu)。這種DNA納米結(jié)構(gòu)還可以在特定的位置對(duì)DNA鏈進(jìn)行修飾，使之作為支架引導(dǎo)其他分子或納米材料進(jìn)行可控的自組裝。

這一新興的領(lǐng)域被稱為DNA折紙技術(shù)。折紙是指人們能用一張紙，就可折疊出飛機(jī)、青蛙和花朵。同樣的，發(fā)明DNA折紙技術(shù)的科學(xué)家使用比頭發(fā)絲還細(xì)一千倍的DNA和RNA等核酸分子，折疊、自組裝成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。而當(dāng)DNA中互補(bǔ)的核苷酸堿基接觸并結(jié)合時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這樣的結(jié)果。

2006年，加州理工學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)通過DNA折紙術(shù)，選用噬菌體M13的基因組DNA作為長鏈，然后用兩百多條短的單鏈DNA通過堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，“釘”在長鏈構(gòu)成的支架上，將長鏈折疊成想要的矩形、三角形、五角星和笑臉等多種二維平面圖案。

傳統(tǒng)的DNA自組裝方式是要先用酶將DNA分子“切”開，然后在模具中重新組建其雙螺旋結(jié)構(gòu)。與之相比，DNA折紙術(shù)不僅能在納米尺度上進(jìn)行更為精確的組裝與排列，得到更復(fù)雜精細(xì)的可編程圖案與結(jié)構(gòu)，而且實(shí)驗(yàn)操作更為簡便、組裝效率更高。

一條長單鏈DNA代替許多短鏈DNA

不過，使用長短鏈配對(duì)組合的DNA折紙技術(shù)時(shí)，由于具有如此多的短鏈DNA，科學(xué)家不能利用生物系統(tǒng)，將它們進(jìn)行復(fù)制，因此，解決這個(gè)問題的一種方法是，設(shè)計(jì)一條能夠自我折疊成任何結(jié)構(gòu)的長鏈DNA。2017年，美國亞利桑那州立大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種單鏈折紙術(shù)，使用長而細(xì)的面條狀單鏈DNA或RNA（核糖核酸），先后經(jīng)過加熱和冷卻處理，使其折疊成所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。

科學(xué)家通過破解RNA的結(jié)構(gòu)形成機(jī)制，通過克隆其序列，在大腸桿菌等活細(xì)胞中，或利用酶在試管中制造出所需要的特定結(jié)構(gòu)單鏈DNA和RNA。

納米機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療

我國科學(xué)家在DNA折紙技術(shù)方面也取得了較多突破，2017年清華大學(xué)魏迪明分子設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室就提出了一種新的構(gòu)建DNA折紙結(jié)構(gòu)方法，即折疊骨架DNA形成鏈交換位點(diǎn)，以骨架DNA的折疊片作為結(jié)構(gòu)模塊，相鄰的結(jié)構(gòu)模塊通過平行排列的支架DNA互相固定。這種構(gòu)建讓DNA折紙結(jié)構(gòu)變得模塊化，從而降低了DNA折紙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度和成本，并提高了所得結(jié)構(gòu)的可變性和復(fù)雜度。

DNA折紙技術(shù)的應(yīng)用正在深入。科技部基礎(chǔ)研究管理中心發(fā)布的2018年度中國科學(xué)十大進(jìn)展中，就包括國家納米科學(xué)中心等研發(fā)的納米機(jī)器人項(xiàng)目。對(duì)此，中科院化學(xué)研究所研究員高明遠(yuǎn)評(píng)價(jià)說，不同于眾所周知的化療、靶向治療策略，納米機(jī)器人項(xiàng)目組提出了一個(gè)全新的治療方式?！笆紫扔肈NA折紙技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)片狀的分子，然后把它折疊起來，形成一個(gè)藥物載體。在這個(gè)載體的邊緣，加載了可以識(shí)別腫瘤的分子。這個(gè)藥物載體到達(dá)腫瘤區(qū)域被識(shí)別后才會(huì)再打開，把里面包載的藥物釋放出來，實(shí)現(xiàn)腫瘤的精準(zhǔn)治療?！?/p>

目前，利用DNA折紙技術(shù)研發(fā)的納米機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在豬和小鼠等活體血管內(nèi)穩(wěn)定工作，并高效完成定點(diǎn)藥物輸運(yùn)功能。而清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院等公布的最新研究中，構(gòu)建的管狀、多面體和多層三維陣列等結(jié)構(gòu)的每條短鏈DNA具有不同序列，能進(jìn)行特定位點(diǎn)的序列設(shè)計(jì)和修飾，因此，可為精準(zhǔn)醫(yī)療等提供更好的支撐。