研究人员利用DNA结构属性打造纳米尺度模型

梵高的《星月之夜》由DNA复制

资料来源:阿什温·戈皮纳特/加州理工学院

文森特·梵高的《星月之夜》是后印象派艺术的经典之作。自从荷兰艺术家于1889年创作了《星月之夜》以来，画中奇妙的漩涡已经让艺术爱好者疯狂。加州理工学院的生物工程师阿什温·戈皮纳特在2016年重建了这项工程。然而，他用DNA代替墨水画了一幅画的复制品。

戈皮纳特的发明是在硅片上绘制的，显示了——DNA纳米技术的兴起，这曾经是材料科学中一个不为人知的分支。这个领域出现于20世纪90年代。那时，科学家开始设计纳米机器。今天，300多个研究小组正试图利用DNA碱基配对特性将分子视为建筑材料，而不是基因信息的载体。

“一旦我们开始意识到我们可以利用脱氧核糖核酸中的信息来建造物体，一系列创造性活动就会开始。”纽约大学的合成化学家内德·塞曼被广泛认为是DNA纳米技术的创始人，他说。

建设战略

在细胞分裂过程中，脱氧核糖核酸形成一种称为假日接头的四链中间体。这种结构是不稳定的，会迅速分裂成双链螺旋。在20世纪80年代早期，塞曼通过在交叉点配对每个链的序列成功地保持了这种结构的稳定。他继续用6条链创造交叉点，从而形成了第一个3D形式的分支DNA结构。一系列越来越复杂的设计接踵而至:1991年的树枝状立方体，1998年的分支DNA晶体和2005年的DNA管道。

2004年，现就职于哈佛大学智慧生物工程研究所的生物化学家威廉·施采用了不同的方法。只用单链DNA，他就形成了一个22纳米宽的八面体。这条1669碱基的DNA链使用了5条30碱基的DNA链来维持它的形状。

基于这一想法，两年后，罗斯蒙德用数百个26-32个碱基的DNA片段引导7000个碱基对折叠成直径约100纳米的各种2D形状。同时在怀斯研究所工作的DNA科学家尹鹏说，这是“一个里程碑式的成就”，因为它大大增加了DNA纳米结构的复杂性和尺寸。

几年后，由麻省理工学院生物物理学家马克·巴思领导的一个团队开发了一种辅助工具，名为“坎多”，用于检查由卡达纳米软件程序构建的DNA折纸蓝图。"它会告诉你绘制的三维结构是什么样的."洗澡说。从那以后，他的团队开发了一种叫做DAEDALUS的工具。只需输入所需的几何形状，它就可以告诉用户所有需要的序列，包括DNA支架。

另一种方法是使用脱氧核糖核酸“砖块”。2012年，石实验室的博士后研究员柯永刚发明了一种技术，其中每个“砖块”的DNA纳米结构都有一个32或42个碱基的独特序列。每个序列的1/4与其他“砖块”的1/4互补。通过连接和扩展这些“砖块”，研究人员可以像建造砖墙一样组装一个帆布。

纳米制造应用

这些新型DNA形状的一个用途是携带药物分子、金属纳米粒子和蛋白质等物质。在把这些有用的材料构建成各种形状之前，通常最容易把它们放在脱氧核糖核酸上。罗瑟蒙德说，“货物”通常装载在铰链DNA上，由于每个结构可以包含大约200个铰链DNA，它们提供了足够的机会来准确地放置分子“货物”

DNA分子是带电的。这意味着电子束可用于在平坦表面上蚀刻带负电荷的结合位点图案，从而允许纳米结构在静电作用下排列。这正是罗瑟蒙德的团队在用密集排列的光子晶体空腔重建星月之夜时所展示的，光子晶体空腔是微米大小的装置，可以与光共振，并包含精心放置的携带染料的DNA纳米结构。

另一个想法是利用DNA纳米结构来塑造纳米粒子。这需要一个相对较大且坚固的带有内部孔隙的DNA纳米结构。通过与巴思的团队合作，尹的团队使用了脱氧核糖核酸“砖块”来建造这样的结构。随后，团队成员将银纳米粒子种子引入孔隙，让它们在可溶性银的存在下生长，就像冰糖在过饱和溶液中生长一样。这些种子继续生长，填充孔隙，最终产生立方体、球形、三角形和Y形纳米粒子。

西北大学化学家查德·米尔金正在寻求另一种纳米策略，称为“可编程原子当量”。这些纳米粒子核心可以是金属、聚合物和蛋白质。数百个双链的脱氧核糖核酸分子附着在颗粒核心的表面，形成一个紧密的脱氧核糖核酸外壳。单个链的*端与其他“原子等价物”的*端互补当这些结构混合在一起时，它们结合在一起并扩展成晶格，从而精确地将所需的原子放置在空间中。"这是一个非常可靠的方法。"米尔金说。

药物纳米工厂

纳米结构DNA的一个流行装饰是被称为荧光分子的发光材料。例如，总部设在德国布伦瑞克的G·阿塔肯特纳米技术公司利用DNA折纸结构和荧光分子制造纳米棒来验证超高分辨率显微镜。这种显微镜使研究人员能够突破光衍射成像的分辨率限制。然而，GATTAquant研发主管maxscheibe表示，目前还没有衡量系统分辨率的标准。" DNA纳米技术使这一切成为可能."

GATTAquant将精确距离内的荧光分子附着到纳米结构上，并将其安装在载玻片上。这些纳米尺度允许研究人员验证小于光波衍射极限的显微镜分辨率。

马萨诸塞州剑桥创业公司——Ultivue的联合创始人希望利用纳米结构来影响癌症研究。在癌症组织中，生物标记物如BRCA1和HER2蛋白可预测疾病的发作或恶化，并可能有助于诊断、预后和治疗。

在Ultivue总部，Manesse展示了公司的技术。电脑显示屏上显示的是曼尼斯放在显微镜下的肺组织细胞薄片。当他把显微镜的灯变成红色时，细胞消失了。在它的位置上有几个亮点，表明——CD3，一种被称为T细胞的免疫细胞的生物标记。这些蛋白质被Ultivue的基于DNA的成像探针标记:一条短的“铆钉”链附着在抗体上，而其互补的“成像”链携带荧光染料。每个感兴趣的生物标记都有自己的“铆钉”链，互补的“成像”链可以一次添加、成像和移除一个。随后，图像被叠加以获得肺组织的合成图像。Manesse说，这使得生物标志物的研究数量几乎没有限制，而组织样本仍然可以保存。

DNA纳米结构也可用于构建治疗或诊断传感器、药物和疫苗。例如，研究人员将抗原链霉亲和素和寡核苷酸与胞嘧啶-鸟嘌呤基序一起固定在四面体DNA纳米结构上，以促进免疫反应来生产合成疫苗。在小鼠研究中，与仅使用链霉亲和素和寡核苷酸的混合物相比，疫苗产生了更高水平的抗链霉亲和素的抗体。

最后，Shih希望创造一种药物纳米工厂:DNA折纸纳米胶囊，它可以利用体内的细胞构建模块按需生产药物。"目前，这仍处于探索性研究阶段."史说。理论上，纳米胶囊可以包含产生核糖核酸的聚合酶和脱氧核糖核酸模板。一旦被触发，它将开始产生和释放负荷，就像病毒使用细胞材料复制自己一样。(宗华编译)