今天，給大家表演用DNA「折」一個小貓咪

2020-10-04 中科院物理所

由DNA組裝出的三維圖形概念圖。圖片來源：extremetech

你還以為DNA只能是初高中課本上雙螺旋的模樣？隨著「DNA摺紙技術」的發展，作為生物主要遺傳物質的DNA，已經被科學家設計和組裝成了各種2D和3D圖案：卡通笑臉、泰迪熊、蒙娜麗莎……近日，中美科學家還聯合開發出了「巨型DNA」，並將其「釘」在一起，構建出更大、更複雜的結構，例如四面體、六面體、稜柱體，只有你想不到沒有它做不到的.......

撰文丨閆雪珊

編輯丨楊心舟

把DNA當摺紙一樣玩

DNA是人類和幾乎所有其他生物的遺傳物質。精確互補配對的DNA雙螺旋鏈狀結構具有穩定、可自我複製、可設計、可自我組裝等特性，因此在一群「愛玩」的科學家的眼中，它不僅僅是生命遺傳信息的載體，還是納米級的搭建平臺。

通過合理的設計，我們是不是也能將DNA當做拼圖模塊甚至樂高積木，拼裝出各種各樣的構造呢？事實上，自上世紀80年代基因工程技術起步以來，科學家就一直在嘗試解決這一難題，但直到「DNA摺紙技術」誕生後，才真正有了突破。

2006年，來自加州理工學院的研究人員首次開發出DNA摺紙技術，並用DNA組裝出了2D圖案（引自Rothemund）

2006年，來自美國加州理工學院的Paul W. K. Rothemund首次提出了DNA摺紙技術（DNA Origami）。「Origami」即日語中的「摺紙」，意為將普通紙張摺疊成特定形狀的工藝，DNA摺紙技術則是將連成片的DNA當做「紙」，通過設計和堆疊，構建出自己想要的模樣，其原理與用單線條作畫類似，但卻是在納米尺度上進行創作。

緊密盤繞的長鏈DNA作為「紙張」，而許多短的單鏈DNA則類似於「訂書針」的功能，可以固定長鏈DNA特定的位置，從而在二維或三維空間上堆疊出複雜的結構。目前科學家已經利用DNA摺紙技術創造出了DNA立方體、三維DNA泰迪熊，以及世界上最小的《蒙娜麗莎的微笑》等。

世界上最小的《蒙娜麗莎的微笑》（引自G. Tikhomirov等）

既能玩也能應用

但DNA摺紙技術僅限於被用來做一些「花裡胡哨」的藝術創作嗎？事實上，納米機器人是DNA摺紙技術的最大應用領域之一。研究人員已經生產出由DNA摺紙結構與其他納米工程產品（包括碳納米管和其他納米粒子）組合而成的複雜納米機器人。這些納米機器人能夠在設計的路徑上移動，甚至能夠攜帶金、銀或其他納米顆粒。

例如早在2018年，來自美國亞利桑那州立大學的顏顥團隊與我國國家納米科學中心的研究人員聯合開發出了一種DNA納米機器人遞送系統。這套系統能將具有治療功能的凝血酶在體內智能地遞送至腫瘤附近的血管，以此來高效地阻斷腫瘤血液供應和抑制腫瘤生長。

而當研究人員將納米機器人應用在黑色素瘤小鼠身上時，他們發現，納米機器人不僅阻遏了原發腫瘤生長，而且還阻止了腫瘤轉移。這項新興的納米技術在在藥物遞送和疾病治療方面具有巨大的潛力，也許在不久的將來便會被應用於癌症的診斷和治療。

通過DNA摺紙技術構建裝載有凝血酶的納米機器人（引自Li等）

DNA通過預先設計的「訂書針」序列連接，形成矩形DNA片狀結構，再裝載上可導致血栓形成並殺死腫瘤的凝血酶、引導機器人前往腫瘤區域及控制機器人打開與閉合的核仁素、定向序列及 「拉鏈」序列等部件，使得納米機器人能夠識別腫瘤微環境信號，進一步觸發納米結構變化和精確給藥。

除此之外，DNA摺紙技術也可以對信息儲存和加密領域有所推動。DNA信息存儲效率是當前存儲方法的500萬倍，而且與容易發生機械故障的硬碟相比，DNA更加穩定，因此諸如Google和微軟等計算機行業巨頭都在爭相開發能用DNA存儲信息的黑科技。

如果在此基礎上再利用DNA摺紙技術，相比於原始的鏈狀DNA僅僅能展示鹼基排列順序、序列長短等一維信息，經過DNA摺紙技術集成後的DNA圖案還可以包含空間位置排列、集成單元數量等二維、三維信息，更是大大提升了DNA的信息承載能力。

DNA再次玩出新高度

儘管經過近20年的發展，DNA摺紙技術能夠組裝的作品已經比最初Rothemund創造的「笑臉」尺寸擴大了幾十倍甚至幾百倍，但是想要組裝出更大（微米至毫米大小）更複雜的DNA結構還難以實現。不過最近，前面提到的顏顥團隊又與上海交通大學的樊春海院士團隊展開合作，創造出了一種前所未有的巨型DNA，稱為元DNA（meta-DNA，或M-DNA），讓DNA組裝上升到了新的層面。

元DNA結構，每一條單鏈其實有6束DNA。（引自Yao等）

元DNA仍然屬於DNA摺紙技術範疇，它同樣是由很多長鏈和短鏈DNA集成而來的，但更驚奇的是，每一個螺旋鏈都是由六條天然DNA單鏈組合纏繞而成的。這種結構與人頭髮絲的寬度相當，直徑是原始DNA納米結構的1000倍。即使這樣，元DNA仍能呈現出雙螺旋結構。

而且，這一亞微米級的6螺旋束DNA結構可像放大版的單鏈DNA一樣自我組裝。單鏈之間既能通過短的「訂書針」DNA相連接，也能利用特定鹼基對「互補配對。而人為設計「訂書針」的分布，科學家們就能夠輕鬆地改變元DNA的剛柔性和靈活度，便於用其搭建出不同的立體結構。研究者僅改變單個元DNA的局部柔性及其相互作用，就已經成功構建了從一維到三維的一系列亞微米或微米級DNA結構，包括四面體、八面體、稜柱和六種緊密堆積的晶格。

以元DNA為單元構建的幾何結構（引自Yao等）

在這項研究中，研究人員不僅分別構建了左旋與右旋的元DNA用來測試這種新型「樂高積木」的性能，還通過計算機編程，設計並組裝出了一系列幾何結構，大小都在亞微米到微米規模，從而將DNA納米技術推上了全新的高度——原本直徑2納米的DNA從納米規模轉變為微米規模，被擴大了近千倍！

作為本研究通訊作者之一的顏顥解釋說，「元DNA是一種通用策略，能夠允許各種亞微米到微米大小的DNA結構自我組裝，就像天然的DNA自組裝一樣」。這不僅有助於搭建出更精緻的「DNA樂高模型」或是更複雜的納米機器人，也可能促使其他納米級應用，諸如生物電路、納米傳感器、人工細胞等進一步發展，未來或許還會出現更大的甚至肉眼可見的DNA結構。

最新研究的原始論文：

Meta-DNA structures

https://www.nature.com/articles/s41557-020-0539-8

本文由微信公眾號「環球科學」（ID：huanqiukexue）授權轉載

轉載請先聯繫newmedia@huanqiukexue.com

原標題：高中生物課白學了？DNA竟被玩成了這副模樣

編輯：Dannis

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