《自然》:订作一个会微笑的 DNA

【字体: 时间:2006年06月21日 来源:生物通

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生物通报道:结合创意巧思与计算机程序的自动设计,订作一个任意形状的二维 DNA纳米元件将不再是梦想。

来自加州理工学院的 Paul W. K. Rothemund 2006 3月的 nature上公布了一个重要的研究进展:他们已经可以利用相当简单的方法,将一段单股的长链 DNA 折叠成任意的二维形状,甚至可以在这个纳米元件上绘制任意的图案。

一般情况下,DNA 以双股螺旋的形态稳定存在。当 DNA 分离成单股状态时,很容易发生同一条 DNA 上的碱基彼此配对、纠结成一个复杂的线团——这种形态通常被称为二级结构。经过特定的人为设计,这种二级结构可以再自我组织成特定的几何结构,例如美国的一个研究组于2004年成功地利用单股 DNA 合成纳米八面体。但是这种设计的难度相当高:碱基序列必须只让 DNA 的特定区域间彼此相接,却又不能让这条 DNA 出现另一种组合方式;再者当特定的二级结构完成时,如何诱导该结构拼凑成最终的形状,这些都是对研究人员的挑战。

这位加州理工的科学家提出了一个绝妙的点子:既然希望这个 DNA要固定成想要的形状,那不妨钉个“订书针”上去!这个订书针由寡聚核苷酸 (oligonucleotide) 制成,上面有几段序列,可以跟单股 DNA 上不同位置的序列对应,并因此将 DNA 上不同的位置通过这个订书针钉在一起。而且这种订书针有个特异功能:如果单股 DNA 自己已先折叠成我们不希望的二级结构,它可以钻进去把这个结构解开!这种寡聚核苷酸长度短容易定做 (一般约32个碱基),但它可容许的编码尺度足以构建复杂的平面结构。

他设计了一种可以随意订作的二维DNA纳米元件:首先设计一个想要的二维形状,然后拉一条线在图案内来回填满这个图形;此时要考虑每条线的宽度与长度必须能配合双股DNA的尺寸单位;设计完成后这条线可以视为该图案的骨架。接下来的步骤交给计算机程序:程序会自动标示出适合安插订书针的位置,让寡聚核苷酸序列穿过许多缝隙处,使最终产生出来的 DNA 图案不致于松散不成形。如果这条用来当骨架的单股DNA是已知的序列,那么程序也会设计出所有需要的寡聚核苷酸序列。

Paul利用 M13mp18 genomic DNA 来证实他的构想。该DNA经小幅度剪裁后可折叠100层,需要约200250支寡聚核苷酸订书针。他测试过正方形、长方形、星形、空心的三角形,以及一个可爱的笑脸图案:将单股DNA与订制的寡聚核苷酸泡在一起,两个小时内逐步将温度由摄氏95度降到摄氏20度,最后将样品滴在云母板上进行 AFM 影像扫描。结果显示他的制造过程可以成功地将DNA折叠成所设计的图案,并且该方法有着相当高的效率。

通过适当的设计,可以在这种订书针上增加一段序列——该序列会自我组合成一个哑铃状的二级结构。当 DNA二维图形完成后,可以从 AFM 扫描影像分辨出来。由于特定的订书针只在图形上的特定位置出现,所以可以利用这种方法在 DNA二维图形上画出想要的图案。整段 DNA 图形约可容纳200根订书针,也就表示该图案可以拥有200个画素。在实验中,研究人员示范了在 200纳米大小的 DNA 画布上绘制出美洲地图。另外,在寡聚核苷酸上还可以增加一段未配对的碱基序列:当单股的 DNA 图形组合完毕后,这些未配对的段落将会引导整张 DNA 图案与其它的未配对序列互相连接,这样就可将不同块的DNA零件组合出更大的纳米器件。

研究人员详细这种方法将有无穷的发展潜力。这套 DNA 折纸术应该可以直接应于建构三维的纳米结构,而且只要有不具周期性的百万碱基构成的单股 DNA,这套方法就可以直接制造出纳米级的组件。
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