Nature封面：构建DNA纳米结构的新方法

　　

生物通综合：本期3月16日Nature封面有许多不同的形状：三角星、四角星、微笑的面孔，比常见细菌还要小的美国微型地图，这些有趣的构造均来自于加州理工学院（California Institute of Technology）计算与神经系统（Computation & Neural Systems）的研究人员Paul W. K. Rothemund的奇思妙想——构建DNA纳米结构的新方法。

纳米生物材料可以分为两类，一种是适合于生物体内应用的纳米材料，它本身即可以是具有生物活性的，也可以不具有生物活性，而仅仅易于被生物体接受，而不引起不良反应。另一类是利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料，它们可能不再被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造，其中DNA几乎是在很多方面，筑纳米尺度结构的理想材料，因为DNA既能自组装，又具有可编程性，而且还有大量化学方法可用来对其进行操纵。

关于DNA纳米材料的制造问题已有大量文献，而加州理工学院的Rothemund在设计的方法虽然忽略了序列设计、链的纯净度和链的集中比例，但它却能使所构建的DNA纳米结构比以前任何时候所构建的都更大、更复杂。这种从下往上“一锅烩”的方法用几百个短的DNA链来将一个非常长的链像订书针那样钉成二维结构，就像本期封面所示的那样，可以做成任何想要的形状，如方形、“纳米脸形”和五角星形。各个“订书针”也可以进行改造，将其做成纳米尺度的像素，后者可用来在一个100纳米的给定形状上生成表面图案。

原文：Nature 440, 297-302 (16 March 2006) | doi:10.1038/nature04586
Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns
Paul W. K. Rothemund
（生物通：万纹）

附：据路透社16日报道，美国一位科学家将手工折纸艺术发展到了一个新高度：用DNA分子、而非纸作为材料。

　　美国加利福尼亚理工学院研究人员保罗·罗斯蒙德15日表示，他将一串串DNA编织成两维形状，这种形状在设计纳米装置的过程中至关重要。纳米装置的直径只有数十亿分之一米。  

　　罗斯蒙德在一份声明中称：“DNA折纸术的方法如此简单，应该能让来自不同领域的科学家轻而易举就创造和研究他们梦寐以求的复杂的纳米结构。”纳米技术指在分子级或原子级水平上操作材料。一纳米为十亿分之一米，形象点说，大约相当于人头发丝宽度的八万分之一。实际上，这种分子机器可进行诸如活动肌肉和光合作用等生物功能。纳米技术已被用于化妆品、电脑芯片、抗污衣服等产品的生产和设计中。

　　罗斯蒙德在最新一期的《自然》杂志上描述了他的DNA折纸术。此前，他已用DNA分子制作过各种物体，譬如三角星、四角星、微笑的面孔，比常见细菌还要小的美国微型地图。罗斯蒙德说：“生物学家可能利用DNA折纸术提取通常只能在自然界独立形成的蛋白质，将它们送入多酶工厂，工厂在流水线上将化学产品从一种酶机器上送到下一种酶机器上。”

　　DNA折纸术的步骤如下：首先选择折叠物的形状，用折叠的长串DNA分子形成这一形状的大体支架，接着把用电脑生成的短串DNA分子与其“钉”在一起，最后再在电脑上进行修改。美国威斯康星大学的埃德·史密斯在《自然》杂志有关DNA折纸术的一篇评论中写到：“这项研究显现出来的结果确实令人吃惊不已。”

        众所周知，DNA是构成所有生命的基础，也是生物体的重要遗传物质。然而，美国加利福尼亚理工学院的一位研究人员，却将这种神秘的遗传物质变成了艺术品。

　　一根DNA长链做材料

　　美国加利福尼亚理工学院的研究人员保罗·罗斯曼，将自己研究出的新技术称为“DNA折纸术”。利用DNA分子，他可以制作任何一个两维图案或形状，比如笑脸、雪花和星星。不仅如此，罗斯曼表示，有朝一日，这项技术还可能被用于建设微型化学工厂或分子电子。

　　由于在分子生物学和生物工艺学中扮演了关键作用，DNA的结构和化学成分已经被广泛地研究。如今，用相对较快的速度和便宜的价格，就可以人工合成大量DNA分子。因此，许多研究微型设计的设计师和工程师，如今都将眼光转向了DNA分子。

　　作为微型艺术品的创作者，罗斯曼表示，自己的所有作品都是由一根单独的DNA长链做成的。首先，罗斯曼将DNA长链折成某种图案或形状。然后，把折好的DNA链在关键处用数百根短的DNA“钉子”固定起来。

　　电脑全自动组装

　　在折叠真正的DNA之前，罗斯曼会先用电脑设计出自己想要的图案或形状，并依此决定用多少DNA片断来做“图钉”。罗斯曼表示，整个设计程序非常简单，就连高中生都可以完成。

　　罗斯曼解释说：“只要将这根DNA长链的序列，以及你想要折叠成的图案一起输入电脑，就可以得出自己需要的短链编码。只要给一家合成DNA的公司发电子邮件，他们就可以给你快递一个装有这种‘钉子’的包裹。”

　　罗斯曼介绍说，把DNA长链和“钉子”一起放进一种碱性溶液加热后，它们就会自动结合在一起，组合成你想要的图案。他说：“整个过程完全是自动组装的。全部都在电脑中设计好，你根本不用亲自动手。”

　　每个DNA“钉子”都有两个分枝，就像一个“V”字。每个分枝都由特殊的碱基顺序构成，分别会和DNA长链上的两个不同区域结合在一起。

　　比如“钉子”的左分枝包含ATG，而右分枝包含CGA，那么当和DNA长链结合时，左分枝就会找到长链上含有ATG的部分，然后附着在上面。而右分枝也会以同样的方式附着在排序为GCT的片断上。


　　用DNA制作微型地图

　　如今，罗斯曼已经用DNA制作出了6个图案和形状。除了星星、雪花和笑脸外，他还制作出了一个DNA双螺旋结构的大致图案。不仅如此，他甚至还制作出一张西半球的微型地图。在这张地图上，1纳米的距离就代表现实中的201163米。

　　1纳米等于十亿分之一米，是非常小的长度单位。就连人的一根头发，宽度也达10万纳米。而罗斯曼制作的艺术品，一般直径都只有100纳米。