专访颜颢:科学与艺术——大美天成

【字体: 时间:2011年05月10日 来源:生物通

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  自然界中从来都不缺乏美,缺乏的只是发现美的眼睛,同理,科学领域也从来不缺乏艺术美感,缺少的仅仅只是感受美的心灵,创新的态度,以及勤勉的探索。4月份一期Science的封面展现了一种另类的科学之美,谁能想象这些严谨排列的三维花瓶,同心环结构是由DNA双螺旋构造而成的呢?构建这一科学美感的是来自亚利桑那州立大学生物设计研究所的华裔科学家颜颢教授,其研究组在结构DNA纳米技术研究领域取得了许多重要的成果,走在这一领域的前沿。

  

生物通报道:自然界中从来都不缺乏美,缺乏的只是发现美的眼睛,同理,科学领域也从来不缺乏艺术美感,缺少的仅仅只是感受美的心灵,创新的态度,以及勤勉的探索。

4月份一期Science的封面(见下图)展现了一种另类的科学之美,谁能想象这些严谨排列的三维花瓶,同心环结构是由DNA双螺旋构造而成的呢?构建这一科学美感的是来自亚利桑那州立大学生物设计研究所的华裔科学家颜颢教授,其研究组在结构DNA纳米技术研究领域取得了许多重要的成果,走在这一领域的前沿。颜颢教授说,这些成果的灵感都来自于自然界中的艺术美,加上创新和持之以恒获得的。

为了详细了解这一科学艺术背后的故事,生物通特联系了颜颢教授,就读者感兴趣的一些问题请教了他。

 
(4月15日Science杂志封面,图片由颜颢教授与其学生韩东燃设计)

生物通:这项最新研究将不同半径的DNA链折叠成了不同的三维结构,构建了类色花瓶和和甜甜圈的形状,就像搭积木一样,十分有趣,您是如何想到要进行这项研究的呢?这项研究对于生命科学领域具有什么重要意义呢?

颜教授:这一研究的灵感来自自然界中具有精巧表面曲率(surface curvature)的复杂三维结构。我们希望能找到一种可以设计,并构建任意形状3D纳米结构的策略方法,并能调控这些结构的表面曲率,因此就想到了DNA折叠(DNA origami)。为了能找到仿造天然复杂结构的方法,以及了解是否有可能将DNA分析折叠成我们需要的形状,制造出尖端的结构,我们进行了这项研究。

这项研究在生命科学领域具有重要的意义,比如这些三维结构能在构建人工酶的时候作为支撑结构,或者帮助封装治疗性药物分子,用于靶向药物传递。

生物通:这项研究属于结构DNA纳米技术成果,结构DNA纳米技术是近年来新兴的前沿交叉领域,可能很多读者对于这项技术并不了解,您能给大家介绍一下吗?

颜教授: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。正如你所说的,这是跨学科领域,需要不同背景的研究人员,比如化学,生物学,物理学,计算机科学,材料学,以及工程学。

生物通:这项新成果主要利用了一种能将DNA折叠成为弯曲的,3维纳米尺度的新方法,这种方法是什么?在探索这一方法的研究过程中,贵研究组遇到了哪些问题,又是如何解决的呢?

颜教授: DNA折叠技术是由加州理工学院的计算机科学家Paul W.K. Rothemund 于2006 在纽约大学 Ned Seeman 教授结构DNA纳米技术的概念基础上的一个创新,这项技术基于DNA四个互补碱基的自组装特性,由许多条短的单链DNA把一条几千个碱基长的长链DNA折叠成设计的形状。

传统的DNA折叠制造出来的常常是二维的形状和一些简单的三维结构。这些形状设计的共同特点是利用双链DNA短片段平行排列来填满想得到的多边形结构。这样的结构的表面可认为是由很多矩形像素(rectangular pixels)组成。但是在3D表面上修改细微的曲率是一项艰巨的任务,并不容易做到。 来自哈佛医学院的William Shih研究组最近就在3D刚性点阵模型(rigid lattice model) 结构中的一些片段上通过靶向插入和碱基对删除来获得所需的曲率。

我们的研究目的是希望研发出能调节出任意曲率,构建任意三维结构的方法,首先我们不再需要依赖William Shih研究组提出的刚性点阵模型,只需通过支架结构定义出某种目标物体要求的表面特征,接下来我们调节DNA结构,构建连接构架来完成设计。

为了完成这些设计,我的博士研究生韩东燃最先着手的是简单的二维同心环结构,其中每个环都由一个DNA双螺旋组成,同心环由一些交叉点连接在一起,双螺旋结构上也有能切换到相邻环上的结构,这有助于连接同心螺旋之间的空隙。这些交叉连接点都有助于维持同心环结构,防止DNA解构。

改变交叉连接点之间核苷酸的数目,以及交叉的位置,就能设计出不同的二维结构,如下图(1a&b)——这些结构通过原子力显微镜获得,显示了自组装形成的实际结构。我们获得了不同的这样的二维结构,包括一个开放的9层的同心环,以及一个三点星状结构。


 
(图片来自颜颢教授论文)

交叉连接点网络也可以用同样的方法设计成包含平面内和平面外曲率的结构,从而能完成弯曲三维纳米结构,但是这种方法会出现大量的可变性,曲率范围也受限于B型DNA构型,局限于其首选的配置:10.5 base pairs/turn。通过实验我们发现如果比这种扭曲稍高,或者稍低,就能获得不同的弯曲角度。

将构建同心环结构的方法,与非B型构型DNA(9-12 base pairs/turn)结合,我们获得了许多精巧的结构,比如球体,半球体,椭圆壳形,以及一个纳米花瓶。

生物通:您所领导的研究小组获得了许多重要的研究成果(比如曾研制过能分析研究单个细胞内部基因表达方式,以及蛋白活动情况的新型基因检测研究工具),也发表了许多重要的文章,您认为这其中成功的关键是什么?

颜教授:我们这些成果的灵感都来自自然界中的艺术美,通过创新和持之以恒获得的,科学就是1%的灵感加上99%的勤奋。


如需了解颜颢研究组更多信息,请查看:http://yanlab.asu.edu
(生物通:王蕾)

原文摘要:
DNA Origami with Complex Curvatures in Three-Dimensional Space

We present a strategy to design and construct self-assembling DNA nanostructures that define intricate curved surfaces in three-dimensional (3D) space using the DNA origami folding technique. Double-helical DNA is bent to follow the rounded contours of the target object, and potential strand crossovers are subsequently identified. Concentric rings of DNA are used to generate in-plane curvature, constrained to 2D by rationally designed geometries and crossover networks. Out-of-plane curvature is introduced by adjusting the particular position and pattern of crossovers between adjacent DNA double helices, whose conformation often deviates from the natural, B-form twist density. A series of DNA nanostructures with high curvature—such as 2D arrangements of concentric rings and 3D spherical shells, ellipsoidal shells, and a nanoflask—were assembled.

作者简介:
颜颢,1993年毕业于山东大学化学系,2001年在纽约大学获得博士学位,2001年至2004年在杜克大学任教,2004年至今在亚利桑那州立大学任教,2008年被亚利桑那州立大学破格聘为终身正教授。已发表学术论文近百篇,其中多篇发表在Nature和Science上。
 

 

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