Nature:以DNA為基礎的編織機被發明

生物谷報導：由生物分子工程師Niles Pierce領導的一個加州理工學院的研究組創造出了一種以DNA為基礎的「編織機」。研究的結果發表在《自然》雜誌上。

 

這個系統能夠使研究人員指定一段具有想要的形狀和功能的DNA，然後在一個試管中執行一種分子程序來裝配它們。例如。他們利用這會在系統構建了一段能夠沿著另一段DNA行走的DNA。

 

就如同計算機語言能夠使程序師創造出任何軟體一樣，研究人員利用這種生物化學程序語言創造出任何想要的分子產品和加工。

 

其他的研究人員已經創造出了多種不同的DNA產品，包括自我複製納米結構、活動手臂、鉗子、納米麵、地圖和氣體結構。但是Pierce和他的研究組則在生物化學編程方面走的更遠。

 

該研究組的這個系統的核心是髮夾狀的DNA鏈，這種DNA鏈每個長10納米並且具有三個特殊的結合位點「toeholds」。

 

這些髮夾能夠以特殊的方式吸在一起。當髮夾閉合時，它的單個結合位點的兩個就不能接觸到。但是，如果一個相配的DNA鏈與他結合時，髮夾就會彈開。

 

兩個DNA鏈之間的反應還能釋放一個被附著發急上的暴露位點，從而導致它再次閉合。

 

在電腦程式中，這種髮夾充當了互相聯繫的「邏輯門」。這種基本的部分有一個輸入端和兩個輸出端。它們能夠相互作用，即輸入端能夠接收另外的輸出端的信息。

 

研究人員還開發了一種繪圖方法，能夠顯示這些分子建築基石的狀態和它們之間相互作用的每一步。這些「作用圖」使研究人員能夠繪製出製造一種想要的反應序列所需的裝配和拆卸步驟。

 

然後，這些必須得反應被翻譯成具有必備的結合特徵的互補DNA鹼基對特殊系列。最終，這個過程在一個含有特殊的分子混合物的試管中進行。

 

為了驗證編程方法的彈性，研究組利用該系統製造出集中不同的反應，包括能夠沿著類似梯子的軌跡行走的長了「兩條腿」的DNA分子。

 

這種兩條腿的行走DNA的構建靈感來自於重要的胞內運輸蛋白Kinesin，它能夠沿著微管以每秒100步的速度行走。研究人員相信這類系統的生物分子編程事實上還能走的更遠。

 

生物谷推薦英文原文：

Nature 451, 318-322 (17 January 2008) | doi:10.1038/nature06451; Received 20 July 2007; Accepted 31 October 2007

Programming biomolecular self-assembly pathways

Peng Yin1,2, Harry M. T. Choi1, Colby R. Calvert1 & Niles A. Pierce1,3

Department of Bioengineering, Department of Computer Science, Department of Applied & Computational Mathematics, California Institute of Technology, Pasadena, California 91125, USA

Correspondence to: Niles A. Pierce1,3 Correspondence and requests for materials should be addressed to N.A.P. (Email: [e-mail]).

Abstract

In nature, self-assembling and disassembling complexes of proteins and nucleic acids bound to a variety of ligands perform intricate and diverse dynamic functions. In contrast, attempts to rationally encode structure and function into synthetic amino acid and nucleic acid sequences have largely focused on engineering molecules that self-assemble into prescribed target structures, rather than on engineering transient system dynamics1, 2. To design systems that perform dynamic functions without human intervention, it is necessary to encode within the biopolymer sequences the reaction pathways by which self-assembly occurs. Nucleic acids show promise as a design medium for engineering dynamic functions, including catalytic hybridization3, 4, 5, 6, triggered self-assembly7 and molecular computation8, 9. Here, we program diverse molecular self-assembly and disassembly pathways using a 'reaction graph' abstraction to specify complementarity relationships between modular domains in a versatile DNA hairpin motif. Molecular programs are executed for a variety of dynamic functions: catalytic formation of branched junctions, autocatalytic duplex formation by a cross-catalytic circuit, nucleated dendritic growth of a binary molecular 'tree', and autonomous locomotion of a bipedal walker.