颠覆性DNA折纸技术将引领材料界的“文艺复兴”

DNA是一种传递生命密码的神奇物质,全称脱氧核糖核酸。它那现今为人所熟知的双螺旋结构,在上世纪50年代曾引发众多科学家的激烈争辩。然而,在那场战争中最终胜出,并获1962年诺贝尔奖的沃森和克里克肯定没有想到,他们的后辈会更大胆、更有创造性。

除去本身带有的遗传信息意外,可能大家都不曾意识到,这种特殊的分子竟然会这么“好玩”。

随着DNA折纸技术的发明,DNA的单链分子可以被折叠成各种不同的纳米结构。这些纳米结构可以作为框架,将不同的纳米颗粒粘到它的每个顶点上,然后纳米颗粒再链接到新的框架上,不断反复,最终形成各种形状复杂的三维纳米颗粒有序阵列。

这样的技术很有可能完成纳米技术的一次革命,成为第一种“通用型”纳米结构制造法。

沃森和克里克在研究DNA的双螺旋结构。他们的成果发表在1953年4月25日的《自然》杂志中,被称为“生物科学中最具有革命性的发现”。

沃森和克里克在研究DNA的双螺旋结构。他们的成果发表在1953年4月25日的《自然》杂志中,被称为“生物科学中最具有革命性的发现”。

今年5月25日,《科学》杂志发表了来自MIT的马克•巴特(Mark Bathe)教授等研究出的全自动化的DNA折纸设计算法,让科学家们不必挨个设计成千上万的碱基对就能得到心仪的DNA框架。有了这种可以随意构成各种形状DNA框架,一种新的用途又应然而生,即将DNA框架应用于纳米材料合成,这将有望用于输送药物、装载像CRISPR这样的基因改造工具、以及储存信息等不同应用。

利用马克•巴特的算法DAEDALUS (DNA OrigamiSequence Design Algorithm for User-defined Structures)制作的DNA三维结构。 图片来源:MIT News

利用马克•巴特的算法DAEDALUS (DNA OrigamiSequence Design Algorithm for User-defined Structures)制作的DNA三维结构。 图片来源:MIT News

实际上,该项技术突飞猛进的历史只用了短短不到10年。2006年,随着加州理工的保罗•罗特蒙德(Paul Rothmund)一篇《自然》杂志论文的问世,2维平面上的DNA折纸技术(DNA origami)诞生。故名思义,DNA折纸技术就是将长长的DNA单链像纸带一样折叠起来,再用短链加以固定,从而随心所欲地构建出各种图形,比如方形、星型、甚至笑脸(见下图)。

由DNA折纸术制作的各种形状。  图片来源:Nature 2006, 440, 297

由DNA折纸术制作的各种形状。 图片来源:Nature 2006, 440, 297

DNA之所以可以按需求被折叠、粘贴,还是要归功于它独特的双螺旋结构:两条平行、反向的单链之间按照精密的碱基互补原则相连接,A与T,G与C,就像一把钥匙配一把锁,具有唯一性和高度特异性(A为腺嘌呤,T为胸腺嘧啶,G为鸟嘌呤,C为胞嘧啶)。这些碱基的化学组成使得设计好ATGC排序的两条DNA单链,能在茫茫链海中找到彼此,紧紧结合,最终组成研究人员想要的形状。

平行、反向的DNA双链上的碱基配对。A为腺嘌呤adenine,T为胸腺嘧啶thymine,G为鸟嘌呤guanine,C为胞嘧啶cytosine,碱基对之间由氢键相连(hydrogenbond)。  图片来源:凤凰资讯(左图)sync.hnadl.cn(右图)

平行、反向的DNA双链上的碱基配对。A为腺嘌呤adenine,T为胸腺嘧啶thymine,G为鸟嘌呤guanine,C为胞嘧啶cytosine,碱基对之间由氢键相连(hydrogenbond)。 图片来源:凤凰资讯(左图)sync.hnadl.cn(右图)

随后,DNA折纸技术渐渐延伸到3维空间,利用DNA的双链碱基互补原则来折叠、构建DNA纳米级立体框架的研究进入飞速发展期。


DNA折纸技术的十年发展史(Ten years of DNA origami)  来源:Nature

基于三维DNA折纸技术,由DNA为粘合剂的纳米材料合成技术这一崭新应用被发明。这项技术既可以进行高精密度的自组装,又可实现近乎无限的设计方式,再加上DNA带来的超高稳定性(科学家们曾从五万年前尼安德特人的骸骨中获取DNA),DNA纳米材料技术可谓前景无限。

其发明者奥利格•冈(Oleg Gang)来自美国的布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory),他也是2016年美国巴特勒“年度发明家”(Battelle Inventor of the Year)的获得者。在2008年的《自然》杂志中,他首次发表了《关于利用DNA双链的特异互补性来“粘合”纳米金颗粒以形成固态无机材料》的文章。这篇至今被引用近900次的论文,让“DNA 纳米技术”一跃成为大热。

有了奥利格•冈最新研发的DNA自组框架技术,用乐高积木或者Minecraft(一种可以随意建造的电子游戏)才能造出的奇妙世界可以轻易地在纳米层面实现。这意味着,一种全新的新材料生产方式诞生了,并将有望应用于制造自我修复涂层、全透明金属、导电塑料、高效储存氢能化合物等新型纳米材料。

下面我们就一起来看一下,他们是如何像搭积木一样,随心所欲地操纵纳米级颗粒、创造出高能属性的新材料。

DNA乐高:将粘有短DNA单链(灰色波浪线)的纳米颗粒(黄色球体)粘在多面体DNA框架的顶点上。这些框架可以有(自上而下)立方体、八面体、长四方双锥、棱柱体和双三角锥。框架的每个顶点上都是互补的DNA链,用于同纳米颗粒进行粘结。粘在框架顶点上的纳米颗粒又能与新的DNA框架链接,不断扩展,最终就能形成一个大的整体框架(如右图)。图片来源: Brookhaven National Laboratory

首先,需要挑选一种纳米颗粒作为基本结构单位,这些不可见的颗粒可以被想象成一块积木或者一块砖头。虽然同样的砖头可以造出千万栋不同的大楼,但砖头的硬度、密度、弹性都对大楼的建造有直接影响。因此,在传统的纳米技术中,纳米颗粒必须被仔细加工,以适应工程师想要的最终结构和性质。

不过现在,就不再需要这么费事儿了。

根据的奥利格•冈的说法,有了他们团队的技术,纳米颗粒的材料可以是任何一种无机化合物,金、银、铜、铁,哪个顺眼挑哪个。在挑好的纳米颗粒上粘上密密一层被设计为特定序列的DNA单链。这样,我们的砖头就准备好了。

准备完砖头之后,就要选择作为粘合剂的多面体DNA框架了。这些多面体可以是立方体、八面体、长四方双锥、棱柱体、双三角锥等等,纳米颗粒砖头们会被粘到DNA框架的顶点上。

因此,这些框架的几何形状和排列将决定纳米颗粒的阵列,最终影响所得纳米材料的属性,就像晶体中原子的晶格排布那样决定材料光、电、磁的性质。

这些DNA框架的设计和构建如之前DNA折纸技术里所述,是依托DNA的碱基互补配对原则而实现的。这条原则在万千物种上亿年繁衍进化中亘古不变:A-T,G-C这两组碱基的在各自所属DNA单链上的互补(腺嘌呤A,胸腺嘧啶T,鸟嘌呤G,胞嘧啶C )。

基于这条原则,DNA框架的形状一经选定,就能通过自组装(self-assembly)完成。研究者要做的只是设计好相应配对的短DNA单链(staple strands)和长DNA单链(scaffold strands)。有了强大的计算机系统的帮助,这比拿着定量菜谱做菜都简单。在这一“菜谱”中涉及的框架边长、顶点个数等参数都是小菜一碟。

当框架完成后,顶点处的短DNA单链就会像章鱼的触手一样,一端连在长DNA单链支架上,另一端预备着捕捉和它碱基互补的猎物:纳米颗粒砖头。

关于纳米颗粒如何被嵌入方形DNA框架的概念图(左侧)。左侧上方的框架内的DNA链(蓝色波浪线)同纳米颗粒(黄色球体)上的DNA链是互补的。 DNA框架外侧的彩色链条代表着不同的末端碱基,这些碱基决定了被DNA框架包裹的纳米颗粒模块如何同彼此连接。图中部的结构是一个简化、纳米级的达芬奇的Vitruvian Man(达芬奇的名画,里面主要展现了人体比例和黄金分割),由TLIYX几种不同的纳米颗粒模块组合而成。图右部是科学家们在原子力显微镜(atomic force microscopy)下生成的高倍数图像(发表于《自然 化学》)。图片来源: Brookhaven National Laboratory

最后,把粘有特定序列DNA单链的纳米颗粒和做好的DNA框架放在一起,彼此互补的碱基就使它们自动、精准地组成基本单位——2维或3维的DNA-纳米颗粒格子框架(lattice)。无数多的格子框架延伸开去,就可得到各种形状的纳米颗粒阵列,生成梦想中的百变智能材料。百变,因所选纳米颗粒和DNA框架近乎无限的扩展性;智能,因DNA碱基A-T和G-C的互补配对无需任何指导便自然发生。

顺时针方向从左后开始:Yugang Zhang, Oleg Gang,Alexei Tkachenko, and Ye Tian,在布鲁克海文的功能纳米材料中心 (Centerfor Functional Nanomaterials)的一个冷冻电子显微镜(冷冻电镜)实验室里。图片来源: Brookhaven National Laboratory

顺时针方向从左后开始:Yugang Zhang, Oleg Gang,Alexei Tkachenko, and Ye Tian,在布鲁克海文的功能纳米材料中心 (Centerfor Functional Nanomaterials)的一个冷冻电子显微镜(冷冻电镜)实验室里。图片来源: Brookhaven National Laboratory

在奥利格•冈团队发表于《自然材料学》子刊的论文中,他们还利用X射线散射(X-ray scattering)和冷冻电子显微镜(cyro-electron microscopy)对其做出的DNA-纳米颗粒框架的结构进行了验证。

达芬奇的Vitruvian Man画。图片来源:Flickr

达芬奇的Vitruvian Man画。图片来源:Flickr

除了能够将科幻电影里才有的道具带入现实,这项研究震撼人心之处在于,既有自然(DNA)和人工(纳米颗粒)的巧妙匹配,也有科学和艺术的融合。奥利格•冈及其同事利用该技术“画”出了一幅纳米级的Vitruvian Man。此作品不知是在致敬原作达芬奇,还是在致敬那个充满想象力和创造力的、即将在材料界再次重现的“文艺复兴”年代。

【文/ Mengxi Zhang DeepTech深科技(微信号:mit-tr)】

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6 Responses

  1. Grand Design说道:

    这篇真是看得热血沸腾,纳米级的“建筑&艺术”时代要来了,真希望这种纳米级“建筑&艺术”迅速运用起来,如视频里讲的那样设计成特定构象的功能材料,用于制作纳米机器人,智能药物等等。好刺激!I love science!

  2. 赵小娜说道:

    前一段时间,筑波大学也发表了折纸与数理科学研究的美学相关文章呢。应用广阔,前景无限。作用不大!唯一有启发的是,构件单元的“接口”是被事先编码了的,用这个概念来套细胞的组装,会被进化论生物学界一棍子打死!但这是亮点!

  3. 优乐美说道:

    有意思啊,名为“DNA折纸”的DNA变形技术不是新技术,早在几十年前科学家就开始将DNA链扭成五角星,笑脸形状 。几年前有研究人员研究出了DNA壳制作技术,用这些DNA壳,能将药物送达癌细胞等指定细胞。研究人员制作出了DNA“变形金刚

  4. 时髦值说道:

    Aarhus大学的研究人员最近发明了RNA折纸技术(RNA origami)。与现有DNA折纸技术不同的是,RNA折纸需要RNA聚合酶的参与,大量RNA可以同时折叠成指定形状;另外,RNA折纸可以在活细胞中进行,利用细胞中的酶进行生产。相关成果发表在Science杂志上。

  5. 粤嵌说道:

    美国《大众机械》杂志报道,随着科学技术的不断发展,从DNA“折纸术”到骨整合技术,一系列“大想法”受以媒体越来越多的关注,未来我们将有机会触摸压电显示器,也有机会购买自己的第一辆超级电容动力汽车

  6. 聚义堂说道:

    Nature子刊:RNA干扰的新平台 -利用一种称为“核酸折纸”的技术,化学工程师们构建出了由DNA和RNA构成的微小颗粒,可将RNA小片段直接传递到肿瘤处,关闭癌细胞中基因的表达。相关论文发表在6月3日的《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上

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