面向未来的DNA纳米建筑学-建筑-建筑首页|建筑资料下载

在细胞中，DNA的主要任务是把信息从一代传递到下一代。但科学家们也看到，利用它们的自行组装能力，可以用DNA单元来设计蛋白质和其他大分子。加上其特有的高稳定性和灵活性，DNA正在成为纳米结构的理想建材，这种称为纳米建筑学的方法正在发展成一种多样化的工具，用于药物递送、生物传感器、人造光合电池等许多领域。

DNA折叠技术

5年前，加州理工学院计算生物工程师鲍尔・罗斯蒙德推出了一种全新的设计策略，称为DNA折叠术，把长的DNA链在二维平面上折叠，再以较短的链“钉”固定，构成各种各样的“建筑物”。几年后，哈佛医学院威廉姆・施的实验室将这一概念变成了三维，设计出更复杂的曲线和弯曲结构，为纳米水平的合成生物设计开辟了新道路。

DNA由A（腺嘌呤）T（胸腺嘧啶）G（鸟嘌呤）和C（胞嘧啶）4种核苷酸组成，根据基因规则，一条链上的A只能与另一条链上的T结合，同样C只能与G结合。按照这种配对规则，两条天然的DNA链就能找到彼此的伴侣。但在实验室里搭建纳米建筑，生物重要性的基本规则被去除。研究人员能让DNA双螺旋序列，形成一种想要的结构。

麻省理工大学生物工程师、应用生物副教授马克・贝瑟曾用一种病毒的基因组搭建了大约8000个核苷酸，生成了二维的星星、三角和笑脸图案。他说：“使用DNA，你能在最小的尺度对自行组装的序列进行设计，再把它们折叠成某种特殊结构，把不同的DNA连在一起，造出大一些的物体。DNA在许多方面比蛋白质更适合自行组装，蛋白质的物理性质不利于控制，对环境也过于敏感。”

设计过程自动化

既往的人造DNA大分子结构，大多是受灵感启发的创举。随着纳米建筑变得越来越复杂，一个主要障碍逐渐暴露出来，即设计过程自动化。

“简单地调用DNA基本片断来构建想要的任何形状，让非专家也能使用DNA折叠术来设计自己想要的三维纳米结构，才能打开无限想象。”贝瑟说，“我们在开发一种设计工具，从一个复杂的三维形状的画面开始，按照运算法则寻找一个最佳的序列产品。为了让更多人都能使用这种纳米组装技术，包括没有DNA折叠技术知识的生物学家、化学家、材料科学家，需要计算工具的完全自动化，只需很少的人工输入或人为操作。”

目前，贝瑟领导的研究小组和德国慕尼黑理工大学同行合作，已经开发出这种软件，能根据给定的DNA模板预测它的三维形状。尽管软件的设计过程还没实现完全自动化，但使用者已经能很容易地生成复杂的三维结构，控制它们的灵活性、折叠的稳定性等。近日出版的《自然・方法学》详细介绍了这一软件。

这是一种处理DNA折叠及组合构型的初级技术软件。“搭建DNA的瓶颈是把这种技术推广使用，而现在只有受过专门培训的研究人员，才能用基本的DNA建材进行折叠设计。”贝瑟说。

他们的新软件程序和哈佛医学院威廉姆・施实验室开发的caDNAno软件兼容，caDNAno能让用户从二维开始，手动操作将DNA折叠成基本的构架。而新程序名为CanDo，利用了caDNAno的二维蓝图，灵活地旋转、弯曲、拉伸DNA，折叠成复杂的三维形状，并能预测设计的最终形状，让最终的DNA建筑形状不再取决于直觉和偶然的灵感。

在分子水平，DNA双螺旋结构的压力降低了折叠结构的稳定性，还会带来局部缺陷，妨碍折叠组装的进一步拓展。罗斯蒙德说：“过去我们没有合适的设计工具，很难分析各种构型中的压力和拉力，也很难为某种特殊目的而设计。”这种CanDo程序能让设计者更全面地测试DNA结构，恰当地折叠它们。贝瑟实验室目前仍在开发CanDo的功能，改进用DNA基础构架进行折叠的设计程序。

不久前，德国法兰克福大学的亚历山大・海克尔教授和他的博士生施密特制作了一对仅18纳米大小、互相连在一起的DNA环。施密特在制作这对连环扣期间结婚了，妻子也是研究小组成员，他们于是将这一成果称作是“世界上最小的婚戒”。

虽然连环扣比可见波长还要小，用普通显微镜也看不到，只能凭借扫描原子力显微镜才能显示出来，但站在科学的角度，却在DNA纳米技术领域具有里程碑的意义。以往的DNA纳米建筑主流，只形成固定不变的形状，而连环扣却能根据环境条件自由地转动，有望成为未来分子机器或分子马达的组成部件。

有了可靠的方法来搭建DNA建筑，它却不仅局限于静态结构，下一步就是能自动运行的纳米机器。“DNA运输车”就是一种，精心设计的DNA运输车会根据目标癌细胞发出的特殊化学信号，将携带的药物送到身体的某个特殊部位，释放出药物而杀死癌细胞。

“DNA折叠术能在纳米水平构建非常精细的结构。我们正在拓展这种独特的性质，用于更多方面，包括人造光电池。”贝瑟说，比如复制植物光合作用细胞中的光捕获器官，这是一种包含20个蛋白质分子单元的复杂序列。要“人造”出这种“机器”来，必须把各组成部分按照特定的位置和方向结合在一起，这正是DNA折叠技术要做到的。

“尽管这种应用目前还较为遥远，但我们相信在不久的将来，这个方向上的预测工程软件是必不可少的。”贝瑟指出，哈佛大学也开发出了名为BIOMOD的软件，包括麻省理工大学、哈佛大学和加州理工在内的十几个研究小组，都在设计纳米水平的生物分子，用于机器人、计算或其他领域。