《自然》：订作一个会微笑的 DNA

　　

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在 2006 年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200到250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。