在人們印象中DNA一直是雙螺旋的模樣，而前不久，中美科學家聯合開發出了「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、稜柱體等等。讓DNA可以如此隨心所欲地改變結構，主要依靠了DNA摺紙技術，其概念提出者美國加州理工學院的保羅·羅斯蒙德甚至用DNA在矽片上繪製成一幅名畫《星空》。
「DNA摺紙技術就是將連成片的DNA當作『紙』，通過設計和堆疊，構建出自己想要的模樣。」天津化工學院教授、博士生導師齊浩表示，像摺疊一條長帶子那樣，把一條緊密盤繞的DNA長鏈反覆摺疊作為「紙張」，而許多短的單鏈DNA發揮著類似於「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。
從2D笑臉表情到3D幾何物體和字母積木，摺紙技術也越來越高超。「就目前DNA摺紙的發展程度，理論上能設計出的二維或三維結構都是可以通過DNA摺紙技術實現的。」齊浩說。
隨著DNA摺紙技術的發展，研究人員也開發出了更加複雜的DNA摺紙技術，能將控制單鏈的DNA摺疊回來，形成二維或三維納米結構，成功創造更多複雜的形狀。「改進後的技術也使摺紙的穩定性大大提高，並讓利用DNA摺紙技術形成任意形狀成為可能。」
納米機器人是DNA摺紙技術的最大應用領域之一，目前納米機器人在藥物遞送和疾病治療方面表現出巨大的潛力。「把DNA折成各種形狀的結構後，其中一個用途就是攜帶諸如藥物分子、金屬納米顆粒和蛋白質等物質。」齊浩介紹，一般分子是攜帶在「訂書釘」上，因為每個DNA納米結構包括大約200個訂書釘，可以精確攜帶「貨物」。
「目前研究人員已經生產出這種納米機器人，這些納米機器人能夠攜帶藥物沿著設計的路徑移動，精準到達病灶的位置，進行精準給藥。」齊浩介紹，例如2018年嚴浩團隊與我國國家納米科學中心的研究人員聯合開發的一種DNA納米機器人遞送系統。該納米機器人攜帶可導致血栓形成並殺死腫瘤的凝血酶，通過識別腫瘤微環境信號，將藥物精準送至腫瘤附近血管。然後利用核仁素、定向序列及「拉鏈」序列等部件，將納米機器人打開，讓藥物精準釋放，在腫瘤附近形成血栓，阻斷腫瘤供給，從而實現「餓死」腫瘤的目的。
「除了納米機器人，DNA摺紙技術在醫療領域還可構建用於治療或診斷的傳感器、藥物和疫苗。」齊浩舉例說，比如研究人員將鏈黴親和素和寡核苷酸抗原搭載在四面體DNA納米結構上，形成合成疫苗。在小鼠研究中，相比於鏈黴親和素和寡核苷酸的混合物，該疫苗能讓小鼠體內產生更多的抗體，增強免疫響應。
「通過DNA摺紙結構，甚至可以製造藥物納米片。在細胞內根據需要，可產生藥物的DNA摺紙納米膠囊。」齊浩解釋說，理論上，納米膠囊應包含RNA聚合酶——這是一種能夠產生RNA和DNA模板的酶。一旦被激活，納米膠囊將開始製造和釋放有效載荷，就像病毒使用細胞內的物質來複製自身一樣。
在醫療領域之外，DNA摺紙技術對信息儲存和加密領域也有所推動。「如果把DNA當做硬碟使用，其對信息的存儲效率遠超硬碟500萬倍，節省空間且更加穩定。」齊浩介紹，通過DNA摺紙技術集成後的DNA圖案還可以包含空間位置排列、集成單元數量等信息，可大大提升DNA的信息承載能力。
儘管DNA納米技術已經問世20多年了，仍然面臨著很多挑戰。齊浩表示，以目前的技術，還無法做到大規模的量產。而且與低效率同時存在的是高成本。目前DNA摺紙的成本非常高，實驗室中「折」出很小的一個圖形，就需要花費數千元甚至上萬元人民幣。
另外一個難題是可以被附著到DNA上的材料品種非常少。研究人員正在努力擴大摺紙設計可以使用的材料範圍。比如嘗試將蛋白質作為「訂書釘」來組裝DNA，或更新caDNAno設計軟體程序，以囊括RNA和蛋白質結構單元的使用。
【來源：科技日報】
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