当梵高遇见DNA 科学家利用DNA结构属性打造纳米尺度模型

导读：

300多个研究小组正试图利用DNA碱基配对属性，目的是将分子作为一种建筑材料而非遗传信息的携带者进行处理。

利用DNA重现的梵高《星月夜》作品。图片来源：Ashwin Gopinath/Caltech

文森特·梵高的《星月夜》是后印象派艺术的经典。自从这位荷兰艺术家在1889年创作了《星月夜》，画中那些异想天开的漩涡便令艺术爱好者痴狂。2016年，美国加州理工学院生物工程师Ashwin Gopinath重建了这幅作品。不过，他用DNA而非油墨绘制了画作的副本。

Gopinath的创作绘制在硅片上，展现了材料科学曾经很不起眼的分支——DNA纳米技术正在崛起。该领域出现于上世纪90年代。当时，科学家开始设计纳米尺度机器。如今，300多个研究小组正试图利用DNA碱基配对属性，目的是将分子作为一种建筑材料而非遗传信息的携带者进行处理。

“一旦我们开始意识到可以利用DNA中的信息构建物体，一连串的创作活动便由此开启。”被普遍认为是DNA纳米技术开创者的纽约大学合成化学家Ned Seeman表示。

构建策略

在细胞分裂期间，DNA形成被称为霍利迪连结体的四链中间体。这种结构是不稳定的，并且会迅速瓦解成双链螺旋。上世纪80年代早期，Seeman通过将交叉点处每条链的序列相互配对，成功地让这种结构保持稳定。他继续创造出拥有6条链的交叉点，从而形成了首个3D形式的分支状DNA结构。一系列愈发复杂的设计随之而来：1991年是树枝状立方体，1998年是分支状DNA晶体，2005年是DNA管道。

2004年，如今在哈佛大学怀斯生物启发工程研究所任职的生物化学家William Shih采用了一种不同的方法。他仅利用单链DNA便形成了22纳米宽的八面体。这条拥有1669个碱基的DNA链，利用5条拥有30个碱基的DNA链维持形状。

基于这个想法，两年后，Gopinath的主管Paul Rothemund利用上百个拥有26～32个碱基的DNA片段，指导7000个碱基对折成各种直径约为100纳米的2D形状。同样在怀斯研究所任职的DNA科学家Peng Yin表示，这是“一项里程碑式的成就”，因为它极大地增加了DNA纳米结构的复杂程度和大小。

几年后，由麻省理工学院生物物理学家Mark Bathe领导的团队研发出被称为CanDo的辅助工具，以检查caDNAno软件程序构建的DNA折纸蓝图。“它将告诉你绘制的结构在3D形式下看起来是什么样子的。”Bathe介绍说。此后，他领导的小组又研发出被称为DAEDALUS的工具。仅通过输入想要的几何形状，它便能告诉用户所需的全部序列，包括DNA支架。

另一种方法是利用DNA“砖块”。2012年，Shih实验室的博士后研究人员Yonggang Ke发明了一项技术，其中DNA纳米结构的每个“砖块”拥有32个或42个碱基的独特序列。每个序列的1/4同另一个“砖块”上的1/4序列是互补的。通过连接并扩展这些“砖块”，研究人员能像建造一堵砖墙那样组装起一块画布。

纳米制造应用

这些新颖的DNA形状的一个用途是携带诸如药物分子、金属纳米粒子和蛋白质等材料。在DNA被构造成各种形状前，将这些有用的材料放置在DNA上通常是最容易的。Rothemund 介绍说，“货物”一般被装载到铰链DNA上，同时由于每个结构能包括约200个铰链DNA，因此它们提供了充足的机会来精确放置分子“货物”。

DNA分子带有电荷。这意味着可利用电子束将带负电荷的结合位点模式刻蚀在平整表面上，从而使纳米结构在静电的作用下得到安排。这正是Rothemund团队利用密集的光子晶体腔阵列重建《星月夜》时所展示的东西——光可以产生共振的微米大小设备，其含有携带染料且被精心放置的DNA纳米结构。

另一种想法是利用DNA纳米结构将纳米粒子铸为模子。这需要拥有内部孔隙的相当大且结实的DNA纳米结构。通过和Bathe团队合作，Yin带领的小组利用DNA“砖块”构建了此类结构。随后，团队成员将银纳米颗粒种子引入孔隙，并使其在有可溶解银存在的情况下生长，就像冰糖在过饱和溶液中生长。这些种子不断生长，填满孔隙，最终产生立方形、球形、三角形和Y形纳米粒子。

西北大学化学家Chad Mirkin正在追寻另一种被称为“可编程的原子当量”的纳米策略。这些纳米粒子核可以是金属、聚合物以及蛋白质。上百个部分为双链的DNA分子被附着在粒子核表面上，形成致密的DNA壳。单链的自由端同其他“原子当量”的自由端形成互补。当这些结构被混合在一起时，它们衔接起来并扩展成将想要的原子精确地放置在空间中的晶格。“这是一种非常可靠的方法。” Mirkin表示。

药物纳米工厂

纳米结构DNA的一个流行的装饰品是被称为荧光分子的发光材料。例如，位于德国布伦瑞克的GATTAquant DNA纳米技术公司利用DNA折纸结构和荧光分子制作纳米标尺，以验证超高分辨率显微镜。这种显微镜使研究人员得以突破光的衍射设置的分辨率限制来拍摄图像。不过，GATTAquant公司研发负责人Max Scheible表示，目前并未有衡量该系统分辨率的标准。“DNA纳米技术使这一切成为可能。”

GATTAquant使处于精确距离内的荧光分子附着在纳米结构上，并将它们安装到玻璃载片上。这些纳米尺度的标尺使研究人员得以验证小于光波绕射极限的显微镜的分辨率。

位于马萨诸塞州剑桥市的初创公司——Ultivue的共同创始人希望利用纳米结构影响癌症研究。在癌症组织中，诸如BRCA1、HER2蛋白等生物标记可预示疾病的发作或恶化，并且能潜在地辅助诊断、预后和治疗。

在Ultivue总部，Ultivue首席研究员Mael Manesse展示了该公司的技术。电脑显示器上被点亮的是Manesse放置在显微镜下的肺部组织薄切片的细胞。当他将显微镜的光调成红色时，细胞消失。出现在其位置上的是少数亮点，指示被称为T细胞的免疫细胞的生物标记——CD3。这些蛋白被Ultivue公司基于DNA的显像探针标记：一个短短的“铆钉”链被附着在抗体上，其互补的“成像”链则携带着荧光染料。每个感兴趣的生物标记都拥有自己的“铆钉”链，互补的“成像”链则可以每次一个被添加进来、进行成像和移除。随后，图像被叠加，从而获得肺部组织的合成图像。Manesse表示，这使得被研究的生物标记数量几乎不受限制，而组织样品仍能被保存下来。

DNA纳米结构还可被用于建造治疗或诊断用传感器、药物和疫苗。例如，研究人员将抗原链霉亲和素以及寡核苷酸同四面体DNA纳米结构上促进免疫反应的胞嘧啶—鸟嘌呤基序固定在一起，制造出合成疫苗。在小鼠研究中，和仅是链霉亲和素与寡核苷酸的混合物相比,这种疫苗产生了针对链霉亲和素的较高水平的抗体。

最终，Shih希望制造出药物纳米工厂：可在身体内利用细胞构建模块按需生产药物的DNA折纸纳米胶囊。“目前，这还处于探索性研究阶段。”Shih表示。理论上，纳米胶囊可盛放制造RNA的聚合酶以及DNA模板。一旦被触发，它将开始生产并释放载荷，就像利用细胞材料进行自我复制的病毒一样。

本文来源于：中国科学报

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