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让DNA结构设计随心所欲:DNA纳米技术提供药物投递的分子平台

2013年03月26日

  来自美国亚利桑那州立大学的研究人员在一项最新成果中,获得了解决一种关键设计难题的新办法,这将能令研究人员生成各种各样的2维和3维结构,从而推动DNA纳米技术新兴领域的发展。

  领导这一研究的是亚利桑那州立大学颜颢教授,颜颢早年毕业于山东大学,这位以自己独特的技术成果在学术界打出一片天空的华裔科学家,多年来在Science,Nature杂志上发表了多项重要的成果,备受关注。

  DNA不仅仅是生命的密码,它还是制造纳米级构件和设备的通用元件。通过现代生物技术,我们可以制造出很长的DNA分子,上面排列着根据意愿选择的构建模块序列,这为DNA的应用开辟了广阔的新天地,而不仅限于自然界中生物进化的领域。

  颜颢的研究小组就利用结构DNA纳米技术(利用了DNA作为遗传信息编码聚合物的优点,通过DNA分子卓越的自组装和识别能力实现精确的纳米构架,就如同纳米机械在工作一样),构建了许多重要的结构,如特洛伊木马结构——用以提高药物输送到癌细胞的效率,导电金纳米线,单分子传感器和可编程的分子机器人。

  现在他们又继续在分子水平上探索着这些结构的几何和物理限制。“这一领域的研究人员对于构建线性或者网状的结构,十分感兴趣,”颜颢说,“我们需要研发出新的设计思路,来构建更加复杂的三维结构。”

  在最新这项研究中,他们完成了类似线框,分子镊子,剪刀,螺丝,手风扇,甚至是一张蜘蛛网之类的2维和3维结构,十分有趣。这一研究成果公布在3月22日出版的Science杂志上。

  通过一种“自下而上”扭曲技术,研究人员将分子乐高设计的关键点聚焦于一种称为Holliday交叉(Holliday junction,HJ)的DNA结构上。在自然界中,这种十字形,双叠DNA结构就像是遗传机制中的十字路口,两个独立的DNA螺旋能用于交换遗传信息。Holliday交叉带来了地球上各种各样的生物,并确保后代具有来自母亲和父亲DNA信息的独特重组。

  在自然界里,Holliday交叉能以约60度角的角度扭曲双叠DNA链,这是交换基因的一个完美角度,但有时对于DNA纳米技术的科学家来说,这并不是好消息,因为这限制了其结构的设计规则。

  “原则上,你可以利用这个支架横向连接多个层,”然而,当你需要构建垂直方向结构时,DNA的极性就会导致无法构建多层,“我们需要做的是把这个角度旋转过来,进行力量连接”。

  研究人员通过改变每个Holliday交叉之间DNA的长度,使得Holliday交叉中几何形状发生了非常规的重排,令这个交叉更加灵活,并首次能在垂直方向上构建结构。颜教授将其称为烧烤架形状,DNA烧烤架。

  “我们惊讶的发现这能奏效!”他说,“一旦能完成这样的工作,那么就很容易进行新的设计了。如果你被传统规则所束缚,就很难走出新的一步,一旦你走出了这一步,形势就变得明确了。”

  DNA“搭出”上百种三维纳米结构成亮点

  美国哈佛大学维斯生物工程研究院的科学家用DNA“砖块”造出了100多种三维纳米结构。几个月前,该研究小组曾造出了一些二维结构,这是又一大的进步,意味着他们从能建造一面墙到可以建造一座房子了。

  2012年初,研究小组在《自然》杂志上报告称,他们用DNA砖块(每块长42个碱基,折叠成矩形“砖块”)构造出了二维平面,包括所有罗马字母、标点符号、数字等107个图案,但构建三维结构需要新的“折叠”方法。

  新方法用的DNA砖块更小(长度为32个碱基),将每个碱基对砖块转了90度,再将每两个砖块并成立体状,就可以向“上”、向“外”两个方向添砖加瓦了。每8个碱基对(约2.5纳米)构成一个“三维像素”,这是它的最小结构单位,1000个这样的像素构成一个模块,这些模块就成为制作三维建筑的DNA分子“原料块”。研究人员用这些“原料块”制作了102种复杂的三维结构,包括字母、符号、汉字等,不仅表面精巧,还有着复杂的内部洞穴和孔道。