一个使用DNA折叠技术设计出来的emoj微笑表情
供图：亚利桑那州立大学生物设计研究院
在过去的几十年中，科学家们一直以生命的蓝图--DNA为灵感，尝试将其应用于纳米技术中。
这一新兴的领域被称为DNA折纸（DNA origami）技术。科学家从折纸艺术家那里借用了名字。这些艺术家想象力十分丰富，他们用一张纸，就可以折叠出鸟类、花朵和飞机。同样的，发明DNA折纸技术的科学家梦想着使用比头发丝还细一千倍的单链DNA，折叠出各种各样的形状，以期该技术有一天能够彻底改变计算机、电子和医学等领域。
最近，亚利桑那州立大学（Arizona State）和哈佛大学（Harvard）的科学家团队在DNA纳米技术领域有了一项突破性进展。科学家利用“单链折纸”的新策略，即用一种细长的面条状的DNA或RNA，自发折叠出最大最复杂的结构，而且没有一个结。此外，形成这些结构的链，既可以在活细胞内部制造，也可以在试管中使用酶制造，从而使科学家能够立刻将这些新设计和功能应用于纳米医学领域中，例如微小的纳米机器人可以扮演医生的角色，在细胞内运送药物至损伤部位。
“我认为这是一个令人振奋的突破，也是合成生物学的一个很好的机会。”技术联合发明人、ASU分子科学学院（the School of Molecular Sciences）以及生物设计研究所分子设计和仿生学中心（Biodesign Institute's Center for Molecular Design and Biomimetics）主任，Milton Glick教授Hao Yan说：“我们总是受到大自然设计的启发，使携带信息的分子能够在纳米尺度上自我折叠成我们想要的形状。”
为了证明这一理念，科学家们分别制作了笑脸、心形、三角形等共18个形状，这显著增大了设计工作的空间和材料的可扩展性，实现了所谓的“自下而上”的纳米技术。
合成方法
在此之前，科学家们不得不依靠两种主要方法构筑具有有限尺寸的空间可寻址的结构。第一种方法是分子砖折纸术（molecular bricks），即利用小而短的DNA片段折叠形成单一结构。第二种方法是利用DNA支架折纸术（scaffolded DNA），即在起到固定结构作用的DNA辅助链的帮助下，使单链折叠为想要的结构。
该论文的资深合著者Fei Zhang说：“从合成角度讲，这两种方法都不太可扩展。当使用这么多的DNA短链时，你就不能在生物系统中复制它们。该问题的解决方法就是设计一个长链，折叠成任何设计的样式或结构。”此外，这两种方法都受到限制，因为随着结构尺寸的增加，正确折叠变得更具挑战性。
现在有了第三种方式。
Yan和他的团队为了取得突破，不得不回到大自然，从自然界中寻求灵感，他们幸运地找到了想要的结构——复杂的RNA结构。自然界中复杂的RNA结构含有单链RNA分子，其自身能够折叠成没有任何拓扑结的结构。单链DNA或RNA折纸技术可以再次使用这个技巧吗？
科学家破解了RNA的结构形成机制，并以此来开发可编程的单链折纸结构。Yan说：“我们研究的关键创新是使用DNA和RNA来构建一个结构复杂而无拓扑结的结构，它们可以由单链平滑地折叠起来。在团队中计算机科学家的帮助下，我们将设计过程编写成数学逻辑严格的算法，并通过开发易于使用的软件工具来进行自动化设计。”该算法和软件通过自动设计以及实验验证了六个不同的DNA结构（四个菱形和两个心形），来证明其可靠性。
形式和功能
用DNA做出精巧的图案和笑脸是同一回事，但是DNA折纸的批评者一直想知道，这种方法究竟何时才能在实际中得以应用。现在，这些都是可能的。Yan说：“我认为，我们已经很接近这项技术的实际应用。我们正在积极地将我们的“单链折纸”技术应用于纳米医学领域。”
他们还能够进一步证明这种折叠的“单链折纸”结构可以被融化，并且在体外DNA复制酶的帮助下，用作扩增模板，并且“单链折纸”链可以通过在活细胞中克隆的方法，来复制和扩增。
“通过自我折叠形成的单链DNA纳米结构，展现了它在扩增、复制和克隆三方面的巨大潜力，提高了使用酶促和生物复制的方法，进行具有成本效益的大规模生产的机会，以及在体外进化出复杂的表型和功能的可能性。”Yan说。
这些相同的设计规则可以用于DNA的化学表亲，RNA。
“单链折纸”技术的一个关键设计特点是，链可以在实验室和活细胞中合成和复制，然后对DNA进行加热和冷却处理，使其折叠成设计的结构。
为了能在实验室做到这一点，科学家影印了克隆序列，来复制和生产单链DNA，该技术被称为PCR（Polymerase Chain Reaction，聚合酶链式反应）。
在活细胞内部，首先把DNA链装载于分子克隆的载体——质粒中，之后将其插入大肠杆菌细胞中（一种实验室常用的细菌）。之后用酶处理细菌，使其释放ssDNA，就可以将释放的ssDNA分离，然后折叠成目标结构。
Yan说：“因为质粒DNA在大肠杆菌中复制很容易，所以可以通过大肠杆菌细胞的大量繁殖来扩大产量，这样就避免了在实验室中必须从头开始合成DNA的所有限制，而后者的成本要高得多。科学家按照这个方向改进其技术，使得在细胞内合成单链DNA结构成为可能。
Yan说：“在这里，我们实现了利用细菌来制造单链结构，但是仍然需要在细菌外部进行热退火以形成设计的结构。理想的情况是设计一个可以同时在细菌内部转录和折叠的RNA序列，这样我们就可以使用细菌作为纳米工厂来生产这种纳米材料。”
在这项研究中，科研人员展示了一个用于设计和合成的框架。该框架能够有效自我折叠成没有拓扑结的单链DNA或RNA，可近似达到任何指定的目标形状。正是单链结构使其能够在体外和活细胞中轻松地复制，其可编程性使科学家们能够编写设计流程，并开发一个简单的基于网络的自动化设计工具。
新的设计工具
在与BioNano Research Group与Autodesk Research合作的软件中，用户首先选择一个目标形状，将其转换为像素化表示。用户可以上传2D图像或使用2D像素设计编辑器绘制形状。
用户可以选择添加发夹或环状的DNA，它们可作为表面标记物或连接外部实体的手柄。像素被转换成DNA螺旋结构域，并锁定结构域以进行折叠。软件将生成“单链折纸”的结构和序列，用户可以通过嵌入式分子浏览器查看分子结构。最后，将DNA序列分配给循环链，并在实验室中制造出预期的折叠结构，然后通过原子力显微镜（atomic force microscopy，AFM）等强大显微镜来观察并确认。
Yan说：“我们在降低成本的同时，增加了设计合成的单链DNA和RNA复杂性。“这项研究大大扩展了自下而上纳米技术的设计空间和可扩展性，并为纳米药物应用等众多领域打开了大门。”
翻译：王传庆
审稿：杨镐羽
原文来自 环球科学
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