Nature methods:DNA折纸新技术

　　

生物通报道  2006年美国加州理工学院计算机生物工程师Paul Rothemund开发了一种“DNA折纸术”（ DNA origami technique），像折叠一条长带子那样，把一条DNA长链反复折叠，形成需要的图形，就像用一根单线条绘制出整幅图画。折叠后的DNA长链，通过一些“钉子”对适当位置上的DNA短链加以固定，从而构建出了一张二维结构的精美图谱。当年3月16日的《自然》杂志上发表了这幅奇特的杰作，一个包含200个像素、大约100纳米见方的“折纸”作品，每个像素是一条起固定作用的短核苷酸链。如果事先进行适当排序和合理匹配，DNA自行排列的本能会促使这两种长短有别、用途各异的DNA分子自动组合成所需要的形状。设计结构大约只需一天时间，接下来的工作交由计算机程序控制，这一切简单得就像高中生都能完成的化学实验。科学家可以将这种DNA折纸术应用到电子装置或生物酶上，进行新型纳米材料和分子器件的研发。在数年后，哈佛大学医学院的William Shih实验室将这一理念引入了构建三维结构中，设计出复杂弯曲的结构为在纳米水平进行合成生物学研发开辟了新的途径。

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完成这些日益复杂的设计面临的一个重大障碍是如何实现设计过程的自动化。近日由麻省理工大学生物工程师Mark Bathe领导的研究小组开发了一种软件，可使科学家们对特定DNA模板形成的三维结构形状的预测变得更为容易。虽然目前这一软件还无法使设计过程完全自动化，却能帮助设计者更轻松地构建复杂的3D结构，控制它们的灵活性以及折叠稳定性。Mark Bathe及同事在近期的《自然方法》（Nature Methods）杂志上对这一新软件进行了详细的描述。

此外，Bathe等还在论文中提供了与慕尼黑理工大学Hendrik Dietz合作构建DNA折纸的初级指南。“广泛运用这一技术的瓶颈在于只有少数的专业研究人员接受过支架DNA折纸设计的培训，”Bathe说。

 “我们的最终目的是开发出一种软件帮助科研人员设计出复杂的目的三维结构，计算出最佳的序列组合。将这一纳米组装技术推广到更广阔的科学团体包括无DNA折纸技术专业知识的生物学家、化学家以及材料科学家中去，”麻省理工大学应用生物学系助理教授Bathe说道：“ 这就要求这一计算软件具备完全自动化，最少的人工输入或干预等特点。”

Shih 实验室开发过一种叫做caDNAno软件程序，利用这一程序用户们可以手动构建出支架DNA折纸的二维图纸。Bathe开发的新型软件程序dubbed CanDo既容纳了caDNAno的二维设计性能，还可用于预测最终设计的三维结构。

Rothemund认为CanDo程序应该能帮助DNA折纸设计者更充分地检测DNA的结构，调整使它们正确折叠。“尽管我们现在能够设计出东西的形状，然而我们还没有帮助设计和分析结构中应力和张力的工具，”Rothemund说：“在分子水平上，DNA双螺旋结构的应力会降低结构的折叠稳定性，导致局部缺陷，这将阻碍支架DNA折纸技术的发展。”

现在Bathe实验室的博士后研究员Do-Nyun Kim和研究员Matthew Adendorff正在致力进一步完善CanDo的性能，优化支架DNA折纸设计过程。

（生物通：何嫱）