提到DNA，是不是馬上會聯(lián)想到雙螺旋？跟DNA有關的結(jié)構(gòu)可不止這一種，科學家們現(xiàn)在已經(jīng)利用DNA折紙技術，構(gòu)建出四面體、六面體和棱柱體等復雜結(jié)構(gòu)——
在人們印象中DNA一直是雙螺旋的模樣，而9月7日，中美科學家聯(lián)合開發(fā)出了“巨型DNA”，并將其“釘”在一起，構(gòu)建出更大、更復雜的結(jié)構(gòu)，例如四面體、六面體、棱柱體等等。讓DNA可以如此隨心所欲地改變結(jié)構(gòu)，主要依靠了DNA折紙技術，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在硅片上繪制成一幅名畫《星空》。
科學家們研究DNA折紙技術可不是為了搞“藝術創(chuàng)作”，其目的是利用DNA的堿基配對特性，將其用作原料構(gòu)建納米模型，而非遺傳信息的載體。未來，利用DNA折紙技術可以制成納米機器人、合成疫苗、DNA“硬盤”、納米膠囊藥物……
從二維到三維 DNA“折”出各種形狀
“DNA折紙技術就是將連成片的DNA當作‘紙’，通過設計和堆疊，構(gòu)建出自己想要的模樣?！碧旖蚧W院教授、博士生導師齊浩表示，像折疊一條長帶子那樣，把一條緊密盤繞的DNA長鏈反復折疊作為“紙張”，而許多短的單鏈DNA發(fā)揮著類似于“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復雜的結(jié)構(gòu)。
DNA之所以可以按需求被折疊、粘貼，還要歸功于它獨特的雙螺旋結(jié)構(gòu)：兩條平行、反向的單鏈之間按照精密的堿基互補原則相連接，就像一把鑰匙配一把鎖，具有唯一性和高度特異性?！斑@些堿基的化學組成使得設計好堿基排序的兩條DNA單鏈，能在茫茫鏈海中找到彼此，緊密結(jié)合，最終組成研究者想要的形狀?！饼R浩說。
“進行DNA折紙，首先需要通過程序化軟件進行序列設計，然后將模板鏈和輔助折疊鏈以一定比例混合進行退火雜交，并將獲得的組裝結(jié)構(gòu)進行后續(xù)的功能化修飾和最終純化等操作。”齊浩解釋說，“模板鏈就是作為支架的DNA長鏈，輔助折疊鏈就是‘訂書釘’。混合DNA與‘訂書釘’，加熱至一定溫度，并冷卻至室溫，這些鏈會按照事先設計好的序列，自發(fā)形成所需的形狀。由于每條DNA鏈都彼此不同，整個DNA折紙結(jié)構(gòu)是完全可尋址的，可任意指定地點對結(jié)構(gòu)進行功能化修飾?！?/p>
從2D笑臉表情到3D幾何物體和字母積木，折紙技術也越來越高超?！熬湍壳癉NA折紙的發(fā)展程度，理論上能設計出的二維或三維結(jié)構(gòu)都是可以通過DNA折紙技術實現(xiàn)的?！饼R浩說。
“在2006年，羅斯蒙德提出了DNA折紙技術后，他所在的實驗室開發(fā)過一種叫作caDNAno軟件程序，通過這一程序可以手動構(gòu)建出支架DNA折紙的二維圖紙。”齊浩介紹，后來升級的新型軟件程序dubbed CanDo，既容納了caDNAno的二維設計性能，還可用于預測能最終設計出的三維結(jié)構(gòu)。
隨著DNA折紙技術的發(fā)展，美國亞利桑那州大學生物與化學研究所的嚴浩課題組、哈佛大學的殷鵬課題組等開發(fā)出了更加復雜的DNA折紙技術，能將控制單鏈的DNA折疊回來，形成二維或三維納米結(jié)構(gòu)，成功創(chuàng)造更多復雜的形狀?！案倪M后的技術也使折紙的穩(wěn)定性大大提高，并讓利用DNA折紙技術形成任意形狀成為可能?！饼R浩對記者說。
遞送藥物、儲存信息 經(jīng)過折疊的DNA“能力”爆棚
納米機器人是DNA折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(xiàn)出巨大的潛力。“把DNA折成各種形狀的結(jié)構(gòu)后，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(zhì)等物質(zhì)?！饼R浩介紹，一般分子是攜帶在“訂書釘”上，因為每個DNA納米結(jié)構(gòu)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(jīng)生產(chǎn)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?！饼R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(lián)合開發(fā)的一種DNA納米機器人遞送系統(tǒng)。該納米機器人攜帶可導致血栓形成并殺死腫瘤的凝血酶，通過識別腫瘤微環(huán)境信號，將藥物精準送至腫瘤附近血管。然后利用核仁素、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(xiàn)“餓死”腫瘤的目的。
“除了納米機器人，DNA折紙技術在醫(yī)療領域還可構(gòu)建用于治療或診斷的傳感器、藥物和疫苗?！饼R浩舉例說，比如研究人員將鏈霉親和素和寡核苷酸抗原搭載在四面體DNA納米結(jié)構(gòu)上，形成合成疫苗。在小鼠研究中，相比于鏈霉親和素和寡核苷酸的混合物，該疫苗能讓小鼠體內(nèi)產(chǎn)生更多的抗體，增強免疫響應。
“通過DNA折紙結(jié)構(gòu)，甚至可以制造藥物納米片。在細胞內(nèi)根據(jù)需要，可產(chǎn)生藥物的DNA折紙納米膠囊?！饼R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(chǎn)生RNA和DNA模板的酶。一旦被激活，納米膠囊將開始制造和釋放有效載荷，就像病毒使用細胞內(nèi)的物質(zhì)來復制自身一樣。
DNA折紙也被應用到干細胞的研究中。在過去的干細胞研究中，所采用的藥物或材料都面臨著生物相容性差、生物利用度低等諸多問題，DNA折紙形成的DNA四面體納米結(jié)構(gòu)(TDN)具有促進干細胞進行自我更新、促進干細胞遷移以及促進干細胞向特定方向分化等諸多優(yōu)勢。
在醫(yī)療領域之外，DNA折紙技術對信息儲存和加密領域也有所推動?！叭绻袲NA當做硬盤使用，其對信息的存儲效率遠超硬盤500萬倍，節(jié)省空間且更加穩(wěn)定?！饼R浩介紹，通過DNA折紙技術集成后的DNA圖案還可以包含空間位置排列、集成單元數(shù)量等信息，可大大提升DNA的信息承載能力。
效率低成本高 改進折紙技術還要靠RNA
盡管DNA納米技術已經(jīng)問世20多年了，仍然面臨著很多挑戰(zhàn)。“DNA折紙可以對人類健康產(chǎn)生很大影響，但產(chǎn)出比是關鍵問題，現(xiàn)在產(chǎn)出率還不到克級別?！饼R浩表示，以目前的技術，還無法做到大規(guī)模的量產(chǎn)。而且與低效率同時存在的是高成本。目前DNA折紙的成本非常高，實驗室中“折”出很小的一個圖形，就需要花費數(shù)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折紙設計可以使用的材料范圍。比如嘗試將蛋白質(zhì)作為“訂書釘”來組裝DNA，或更新caDNAno設計軟件程序，以囊括RNA和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的使用。
“目前最大的限制還是對自組裝過程的控制不足。隨著DNA折紙結(jié)構(gòu)越來越大，錯誤折疊的機會會增加。目前研究人員正在尋找新的策略來抑制自組裝錯誤。”齊浩介紹，羅斯蒙德提出的一種可能性是拋棄傳統(tǒng)方法(體外混合、加熱和冷卻方法)，而使用細胞來進行合成工作。對于更復雜的折紙納米結(jié)構(gòu)，可能必須使用RNA。與DNA不同，單鏈RNA可以在沒有“訂書釘”的情況下保持形狀。但目前RNA納米材料領域幾乎是一塊“處女地”，需要學習的東西還很多。
