错过这篇文章,你肯定看不懂今天的《Nature》

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2017年12月8日 来源:生物通

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  在世界科技舞台上,许多华人学者正引领潮流,大步朝这个梦想努力。钱璐璐博士无疑是其中最耀眼的明星。今天她和她的团队用他们的DNA纳米机器人又一次占领了世界顶级学术期刊《Nature》封面。

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1959年,著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德•费曼预言,人类可以用小的机器制作更小的机器,最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品,这是关于纳米科技最早的梦想。

在世界科技舞台上,许多华人学者正引领潮流,大步朝这个梦想努力。钱璐璐博士无疑是其中最耀眼的明星。今天她和她的团队用他们的DNA纳米机器人又一次占领了世界顶级学术期刊《Nature》封面。

2006年,加州理工大学保罗•罗斯蒙德 ( Paul Rothemund )开发出了用长链DNA折叠规定形状的DNA折纸(DNA origami)技术,比如100纳米宽的笑脸,因此这名科学界的艺术家也被人们称为DNA笑脸之父。

DNA折纸极大地拓展了纳米科技领域,将组成地球生命的最基本基石全部拉进了纳米科技材料库,意味着人类将从“非生命产品”制造业转化为“有生命产品”制造业的无限可能。换句话说,未来你手中拿的每一样东西都拥有一套属于自己的DNA!

故事讲到这里似乎有点耸人听闻。说回今天这篇极具艺术美感的封面文章,钱璐璐团队运用新方法让DNA自己画出了世界上最小幅的《蒙娜丽莎的微笑》。


人工折叠DNA并不容易。你首先需要一段长长的DNA单链和许多起捆绑长链作用的短DNA单链(科学家们形象地称其为订书钉)。当把短链和长链放进试管后,订书钉就开始拉扯长链使其折叠成所需形状。

如果要绘制大幅DNA作品,你需要将许多上述的小折叠物拼装起来,类似拿积木块拼图,但是你得用原子力显微镜才能观察到这些凸起的图案。

钱博士团队开发了一款新软件,软件可以把《蒙娜丽莎的微笑》这样的图画分割成一些小正方形,然后给出构成这些正方形所需的DNA序列。有了这款方便的软件以后,科学家们的挑战是,如何让DNA分子自己组装成蒙娜丽莎画像。

就在前几个月,钱博士团队刚发表了一篇《Science》文章,一个人工小机器人能穿过一片精细折叠的DNA,拾起一个分子再在指定位置放下来。现在他们的目标不仅仅是让DNA做搬运工,而是培养它化身世界上最小的画家。华人青年学者最新Science再发重要成果:从人工生化电路到DNA机器人

这项任务的关键是,在分别组装好各自组块内的内容后,如何将不同组块正确地拼接起来。为此,研究人员开发了一种名为“碎片装配(fractal assembly)”的方法以最小化拼图的边缘特征,简单来说,类似九宫格拼图,每一小块拼图只有4条边,每条边都有自己的放置规则。这种法则也适用于其他尺度的装配任务。

“我们先用64只试管合成64片‘拼图’,”文章共同一作研究生Philip Petersen说。“把每只试管编号以确保它们在整张图上的位置。我们先依次混合4只邻近的试管,得到16个尺寸为2×2的方块,再将它们四四结合,得到4个4×4的大方块,最后将这4个拼起来凑出整张图画。”(如下动图)

用保罗•罗斯蒙德开发的相同的折纸方法装配拼图“零件”,再将它们简单地组合,科学家们得到了比当年大64倍的复杂DNA结构。更重要的是,这意味着利用DNA折纸技术创建具有某种功能的“产品”的尺寸没有上限了

科学家们参透了地球生物用最经济节能的方式组装组织和器官的精髓!

本着服务大众的精神,研究团队无私地分享了他们开发的软件,让世界各地的科学家们也能在线使用,利用“碎片装配”创造任意DNA纳米结构——将期望图像转化为DNA链。“该protocol能被液体-处理机器人直接读取,然后自动混合DNA链,由此一来可毫不费力地实现纳米结构组装。”

利用这款在线软件和自动化的液态-处理技术,研究团队还合成了其他几种通过DNA链组装而成的生物版艺术品:包括一个细菌“画像”和一个公鸡“画像”。

曾几何时科学家们喜欢玩的聚合物和蛋白质,现在都能用更微小尺寸的DNA纳米颗粒人工制造了。距离让“有生命的”产品进入千家万户可能还需要几年,但是短期内科学家们已经能实现利用DNA创建电子电路和一些先进的智能材料,或者人工合成某些化学物或生物分子模拟生命过程中的各种反应进程了。

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原文检索:
Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns

生物通:欧阳沐)

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