Science - DNA“砖块”搭出上百种三维纳米结构

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最近，美国哈佛大学维斯生物工程研究院的科学家用DNA“砖块”造出了100多种三维纳米结构。几个月前，该研究小组曾造出了一些二维结构，这是又一大的进步，意味着他们从能建造一面墙到可以建造一座房子了。介绍新方法的论文作为封面文章发表在11月30日出版的《科学》杂志上。

DNA“砖块”是指构成DNA双螺旋链的4种碱基：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G），A只能和T配对，C只能和G配对。它们就像“乐高”玩具，可以搭建出各种结构。这种纳米制造技术称为“DNA—砖块自组装”，用人造的DNA短链像乐高砖块那样搭扣拼装。它充分利用了DNA编程的能力，将DNA碱基对组合搭配成各式“菜谱”，来组成预先设计好的形状。

今年初，研究小组在《自然》杂志上报告称，他们用DNA砖块（每块长42个碱基，折叠成矩形“砖块”）构造出了二维平面，包括所有罗马字母、标点符号、数字等107个图案，但构建三维结构需要新的“折叠”方法。

新方法用的DNA砖块更小（长度为32个碱基），将每个碱基对砖块转了90度，再将每两个砖块并成立体状，就可以向“上”、向“外”两个方向添砖加瓦了。每8个碱基对（约2.5纳米）构成一个“三维像素”，这是它的最小结构单位，1000个这样的像素构成一个模块，这些模块就成为制作三维建筑的DNA分子“原料块”。研究人员用这些“原料块”制作了102种复杂的三维结构，包括字母、符号、汉字等，不仅表面精巧，还有着复杂的内部洞穴和孔道。

另一种叫做“DNA折叠术”的方法能构建更稳定、更复杂的三维结构，但这种技术要依赖一条较长的DNA链做“支架”，并需要几百个短链DNA做“钉扣”把它折叠起来，而且每种新形状都需要一种新“支架”及相应折叠法、新的“钉扣”。论文作者尹鹏（音译）介绍说，相比之下，DNA“砖块”的方法不再需要支架链，由此可以形成一种模块化的结构，每块砖都能独立地加上或减去。“这种方法简单、稳定而且用途更广。”

新方法的下一个目标是将这种DNA纳米技术用在更尖端领域，比如“智能”医疗设备，能将标靶药物选择性地递送到病灶部位；可编程的成像探测仪器；下一代计算机线路制造，能精确排列无机物质的模板等等。

“设计出更多、更有效的方法来利用那些具有生物兼容性DNA分子，将其作为纳米技术中的结构建材，这将带来巨大的医疗价值以及非医疗方面的应用。”维斯铸造学院主管登·英格博说，“我们在这方面的能力正闪电般地增长。”

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Science 30 November 2012:
Vol. 338 no. 6111 pp. 1177-1183
DOI: 10.1126/science.1227268

    Research Article

Three-Dimensional Structures Self-Assembled from DNA Bricks