Nature:DNA折纸突破进展【易科学前沿】

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DNA是一种强大的构建载体,它的序列可以被设计,精确自我组装。由此2006年美国加州理工学院计算机生物工程师Paul Rothemund开发了一种“DNA折纸术”( DNA origami technique),像折叠一条长带子那样,把一条DNA长链反复折叠,形成需要的图形,就像用一根单线条绘制出整幅图画。经过近十年的发展,DNA折纸技术已经变得更加强大了。最新一期(12月6日)的Nature杂志上公布了四项最新突破性成果,三个研究小组利用各种新策略,组装出了比以前更大的DNA结构,而且这些方法也能帮助DNA折纸以更低成本批量生产,这代表着这一研究领域的一大跃进。

分形组装过程构建蒙娜丽莎的概念动画

来自加州理工学院生物工程系的钱璐璐(Lulu Qian)博士早年师从上海交通大学贺林院士,她一直都对生物纳米技术与DNA分子计算感兴趣,几年前就曾与加州理工学院合作,利用人工合成的DNA分子,在试管中制成了当时最复杂的生化电路。今年9月,其研究组在Science杂志上发表了全新DNA“机器人”的重要成果,解决了现有的机器人不能自动行走等局限问题。

在最新的Nature论文(“Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns”)中,钱博士等人受到数学中“分形(Fractals) ”概念的启发,研发出了一种成本低廉的新折纸技术。

“分形(Fractals) ”其实是指不同尺寸的相关物体重复出现,比如不同大小的血管,或者雪花晶体。“如果要从一组特殊的DNA链开始,构建非常复杂的DNA纳米结构,就必须将组装过程分解成多个更简单的步骤。在每一步中,几个较小的结构单元都是在各自试管中组装出来,然后再将它们混合在一起,进一步自组装成更大的结构”,钱博士说。她的研究团队也开发了在线软件,从而其他研究组也可以使用这一技术了。

公鸡,细菌和蒙娜丽莎的“DNA折纸”原子力显微图像

来自慕尼黑理工大学的生物物理学家Hendrik Dietz的研究小组则是采用的DNA折纸技术与逐步构建策略,也就是自然界中分子机器采用的方法,例如对称性和多层次的装配过程。这些方法令他的团队“从DNA折纸之前的megadalton单位发展成了gigadalton单位”。

另一篇文章(“Biotechnological mass production of DNA origami”)中,Dietz等人还利用噬菌体大量生产自切割单链DNA,然后将其组装成肉眼可见的纳米结构。

中间组装产物的透射电子显微照片(左)和完全组装的十二面体(右)。缩放比例为50纳米

哈佛医学院Wyss生物工程研究所的系统生物学家尹鹏(Peng Yin)早年毕业于北京大学,其研究组曾在“DNA折纸”研究领域取得了许多重要成果。在最新这项研究中,尹鹏等人采用的是与上述两者都不同的一种新策略:传统DNA折纸技术是用长支架链和短链搭建而成,而尹鹏研究组从DNA短链中构建了一个包含52个核苷酸的DNA单元,就像是一块乐高积木。

尹鹏说:“与传统的脚手架折纸相比,DNA‘积木’具有许多优点。 首先它是模块架构,这意味着如果你想设计不同的形状,只需要从现有的DNA‘积木’库中寻找,进行组装。其次这种方法不需要长的脚手架链,至少从原理上来说,它应该更具可扩展性。”


10,000个DNA“积木”搭建出了一个泰迪熊形状的空腔
 

这些研究人员都希望能通过增加组装结构的尺寸,最大限度地提高核酸生产能力,从而创建和测试可以用于各种应用的分子结构。 Dietz表示他的研究组小组对分子疗法特别感兴趣,“你可以在纳米结构表面上将病毒蛋白作为抗原,然后获得免疫反应,这样就不需要让生物机体接触实际的病毒。这是完全合成的。将来还会有很多有趣的临床应用”,他解释说。


包括V形,矩形和三角形DNA折纸砖组成的自组装十二面体的代表性图像。结构的半径约为220纳米,分子量约为1.2gigadaltons

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参考文献:

L.L. Ong et al., “Programmable self-assembly of three-dimensional nanostructures from 10,000 unique components,” Nature, doi:10.1038/nature24648, 2017.

F. Praetorius et al., “Biotechnological mass production of DNA origami,” Nature, doi:10.1038/nature24648, 2017.

G. Tikhomirov et al., “Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns,” Nature, doi:10.1038/nature24655, 2017.

K.F. Wagenbauer et al., “Gigadalton-scale shape-programmable DNA assemblies,” Nature, doi:10.1038/nature24651, 2017.


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