今日 Nature 封面:钱璐璐课题组教 DNA 自己画出了蒙娜丽莎!

学术经纬 / 2017-12-07
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2006 年,加州理工学院(Caltech)的 Paul Rothemund 博士开发了一种技术,能按照预先的设定,将 DNA 折叠成特殊的形状。这一技术也被戏称为“DNA 折纸”。它让科学家们能控制 DNA 的自我组装,拼成特定的形状。100 纳米大小的笑脸,就是科学家们的杰作。

▲DNA 折纸技术曾于 2006 年登上《自然》封面(图片来源:《自然》)

这一技术除了好玩之外,还给纳米技术领域带来了革命:人们能利用这一技术,制造出分子级的“设备”,或是分子级的“智能材料”,从而带来无限应用可能。然而,为了进一步拓展纳米技术的应用前景,我们还需要大大增加“DNA 折纸”的尺寸。

今日,同样是来自加州理工学院的钱璐璐教授开发了一种成本低廉的“DNA 折纸”技术,能让大块大块的结构进行自我组装,形成完全自定义的结构。为了彰显这项技术的潜力,钱璐璐课题组用 DNA 创造了世界上最小的“蒙娜丽莎”画。这一突破性的成就登上了最新一期《自然》杂志的封面。

▲本次用 DNA 组装出的蒙娜丽莎(图片来源:钱璐璐教授课题组 / 加州理工学院)

▲今日的研究同样登上了《自然》封面(图片来源:《自然》)

说到这里,也许有些读者会产生疑问。DNA 不是储存遗传信息的材料吗?要它来折纸有何用?纳米技术专家并不这么看。在他们眼里,DNA 是一种杰出的化学材料——DNA 中的四种碱基能精确地相互匹配,形成稳定结构。

举例来说,为了让 DNA 折成想要的形状,纳米专家们会在环境中提供一条长长的单链 DNA,并辅以多条能和该单链长 DNA 不同区域形成互补的单链短 DNA。在精确匹配后,最初的单链长 DNA 的各个互补区域会各自折叠,让整个分子自组装成我们想要的结构。多块不同的小折纸进行组合,就能拼出更大的结构。

▲人们对 DNA 折纸一直情有独钟(图片来源:《自然》)

说起来容易做起来难。想要让 DNA 组装成复杂的结构,就必须对 DNA 的生化特性有着极为深入的理解。如果不能准确预测每一块折纸的折叠方式,想要组装成复杂结构也就无从谈起。除此之外,我们还需要往上升华一层,理解每一块 DNA 折纸的生化特性。只有这样,我们才能确保不同的折纸块找到自己的伙伴,按正确的位置组合拼接在一起。

这正是钱璐璐教授团队所面对的挑战。为此,他们特地开发了一款软件,能根据输入的图像,设计一张“DNA”画布。画布由不同的 DNA 折纸组合而成,而每一块 DNA 折纸,都需要精确的设计。

▲本研究的主要负责人钱璐璐教授(图片来源:加州理工学院)

“我们可以把每一块 DNA 折纸都加上不同的边缘,让它们和特定的 DNA 折纸相结合,在特定的位置发生自我组装,从而形成一个 DNA 超结构,”该研究的共同第一作者 Grigory Tikhomirov 博士说道:“但这样一来,我们就需要设计上百种不同的边缘。这在合成上是非常昂贵的,因此很难做设计。我们希望能使用很少的边缘特征,但依旧让不同的折纸找到自己的位置。”

要做到这一点的关键,就是分步进行组装。想象一下我们是怎么玩拼图的吧。每一片拼图只有四条边,而每一条边的模样是有限的。但如果我们先把几片拼图拼在一块,就能让这一小块拼图有着独特的边缘。我们就能以这些拼图为中心,拼出整块拼图的模样。

▲本研究的组装思路(图片来源:钱璐璐教授课题组 / 加州理工学院)

这正是钱璐璐教授课题组的思路。“我们合成了每一种小的折纸块,并将它们放在不同的试管中。这样的试管一共有 64 根,”该研究的另一名共同作者、研究生 Philip Petersen 说道:“我们知道每一根试管里有什么折纸块,因此我们知道如何对它们进行组合,组装出最后的产品。首先,我们从每 4 根试管里拿出折纸块进行组装。这样你就得到了 16 个 2x2 的折纸块。用同样的方法,我们进一步组装出了 4x4 的折纸块。最终,我们组装出了一整块大的 8x8 折纸块,由 64 个小折纸块组成。我们设计了每一小块的边缘,因此我们知道它们会如何组装。”

这一 8x8 的折纸块是 Rothemund 博士在 2006 年折出的 DNA 的 64 倍大。由于研究人员不断重复使用同样的边缘进行组合,实际上研究人员们的工作量并没有多出许多。这能在保持成本接近的同时,拓展 DNA 折纸的应用前景。

▲研究人员们还组装出了细菌(上)和公鸡(下)(图片来源:钱璐璐教授课题组 / 加州理工学院)

“为了让其他对平面 DNA 纳米结构感兴趣的研究者能快速用上我们的技术,我们开发了一款在线软件工具,能把用户喜欢的图片直接转化为 DNA 链,并提供实验方法,”钱璐璐教授说道:“这一方法能直接被机器人读取,自动混合 DNA 链。我们不用费太多力气,就能让 DNA 自我组装成我们想要的纳米结构。”

参考资料:

[1] The world's smallest Mona Lisa

[2] Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns

[3] DNA self-assembly scaled up

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