近日，麻省理工学院（MIT）的生物工程师们开发出了一种新的计算机模型，该模型使他们能够设计出有史以来最为复杂的三维DNA形状，包括戒指、碗，以及二十面体的几何形状。
这种技术能够让研究人员根据需要制造出DNA支架来固定被称为载色体的蛋白质和感光分子阵列，该载色体主要用来模仿植物细胞中的光合作用蛋白；或创建新的药物运载工具，以及RNA疗法等，MIT生物工程助理教授Mark Bathe说。
“总的想法是使用DNA在纳米尺度上立体地组织蛋白、载色体、RNA和纳米颗粒。将精确的纳米级控制用于3D结构正是这种方法独一无二的核心所在。”Bathe说。他是12月3日在《Nature Communications》上发表的关于这一技术论文的高级作者。
该论文的第一作者是博士后Keyao Pan和前MIT博士后Do-Nyun Kim。Kim如今是韩国首尔国立大学的教师。论文的其他作者还有MIT研究生Matthew Adendorff和亚利桑那州立大学的Hao Yan教授和研究生Fei Zhang。
设计DNA的3D结构
由于DNA十分稳定，并且可以很容易地通过改变其序列进行编程，许多科学家认为这是纳米级结构的一种理想的建筑材料。大约在2005年，科学家们开始使用一种被称为DNA折纸（DNA origami）技术的方法，用DNA制造一些微小的二维结构。所谓“DNA折纸技术”就是将天然DNA单链中的长链进行反复折叠，并用短链加以固定，由此就能绘出方形、星形等一系列DNA图形。这种做法后来被扩展到三维空间。
不过设计这些DNA形状十分繁琐和耗时，并且合成和用实验验证它们也相当昂贵、缓慢。因此，研究人员，包括Bathe在内，都需要开发计算机模型以辅助设计。2011年，Bathe和同事们就弄出了一个名为CANDO程序，可以生成3D结构的DNA，但它只能生成有限类型的形状。
在最新的论文中，Bathe和同事们开发的新的计算机算法，可以通过对DNA支架（DNA scaffold）和短链进行排序，预测任意编程的DNA组件的3D结构。通过该模型，他们能够创建出比以前更加复杂的结构。
新方法依赖于将DNA序列切开分离，形成一种子部件——多路连接（multi-way junctions），这是构建可编程的DNA纳米结构最基本的构建模块。这些连接与那些在DNA复制过程中自然形成的连接类似。
在把DNA切成这些更小的多路连接之后，Bathe的程序随后通过计算将它们重新组合成较大的编程组件，如戒指、光盘、球形的容器，当然，这些东西都是纳米级的。通过对这些DNA组件的序列进行编程，设计师们可以很容易地创建出任意复杂的结构，包括对称笼如四面体、八面体、十二面体等。
“最重要的是我们认识到了可以切断这些DNA连接，然后根据计算机预测的3D结构重新组装它们。”Bathe说。“通过计算机预测其3-D结构是这中间的重中之重，只有这样我们才能实现不同的功能应用，因为生成3D结构的目的是为了实现功能，而不是单纯的DNA排序。”
新的程序使得研究人员能够设计出比CANDO程序更多的3D结构，加州理工学院的资深研究员Paul Rothemund说。他并不是该研究团队的成员。
“由于DNA纳米技术领域内目前使用的分子大部分无法使用CANDO程序生成，因此Bathe他们的这一成果将非常受欢迎。”Rothemund说。
研究人员计划在未来数个月内公开发布自己的算法，使其他DNA设计师也可以从中受益。在该模型的当前版本中，设计者必须自己指定DNA序列，Bahte希望尽快开发一个新版本，在这个版本中设计人员只需简单地给出特定形状，计算机就能自动生成DNA序列。 这将使纳米尺度的3D打印更为可靠，这里的3D打印“墨水”就是是人工合成的DNA。
3D打印DNA结构的应用：分子支架及纳米级模具
一旦研究人员能够使用DNA 3D打印纳米尺度的任意几何形状，他们就能将其与其他种类的分子结合并将产生许多不同的应用。“这些DNA对象是被动的结构支架。”Bathe说，“它们的功能来自与之相连接的其它分子。”
Bathe正在进行研究的一类分子是捕光分子，又被称为载色体（chromophores），这是光合作用的重要组成部分。在活细胞中，这些分子分布在蛋白质骨架上，但蛋白质较难制造成纳米级组件，所以Bathe的研究小组正在试图用DNA来模仿蛋白质的支架结构。
另一种可能的应用是设计某些特殊的支架，使得研究人员可以用来模仿由多个蛋白质亚基组成的细菌毒素组件。例如，志贺菌（Shiga）毒素是由5个蛋白亚基按照一种特定的五聚体结构形成的，这种结构使得它能够偷偷进入细胞。如果研究人员能够复制出这样的结构，他们就可以制造出被去掉毒性的志贺菌，然后用它作为载体向细胞内运送药物或信使RNA。
“这种亚基是进入细胞非常有效的方式，而且在某种程度上，不会引起排异反应，或者导致其被细胞的机制降解。”Bathe说。“使用DNA，我们可以建立一种支架，并将其作为运输工具，来输送其他东西，比如小分子RNA、mRNA、癌症药物和其他药物。”
此外，研究人员还使用的DNA的纳米结构作为模具来生成金或其他金属的细小颗粒。在最近发表的科学论文中，Bathe及其在哈佛大学Wyss生物工程研究所的同事们已经证明，用DNA制成的模具可以将黄金和白银铸造成立方体、球体和更复杂的结构，如Y形的颗粒等。这种方法利用了DNA的光学性能进行编程，可通过计算机模型来预测。这种方法提供了一种“按需制造”纳米粒子的设计与合成工艺，在纳米科学和技术领域有着广泛的应用前景。
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