顏顥和張峰聯(lián)手打造“傻瓜式”DNA折紙生產(chǎn)——畫得出來(lái),就做得出來(lái)!
最近幾年,一種被稱為DNA折紙術(shù)的方法取得了豐富的成果,使人能夠構(gòu)建出一個(gè)快速增長(zhǎng)的二維和三維物體,在材料科學(xué)、納米電子學(xué)、光子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
在最新一期的Science Advances雜志發(fā)表的新研究中,顏顥團(tuán)隊(duì)與麻省理工學(xué)院的科學(xué)家合作,描述了一種能實(shí)現(xiàn)DNA折紙結(jié)構(gòu)自動(dòng)化的方法,極大地加速和簡(jiǎn)化了制作所需的形式,將DNA建筑的世界開放給了更廣泛的受眾人群。
“DNA折紙?jiān)O(shè)計(jì)已經(jīng)到了我們可以自由繪制形式的地步,只需告訴計(jì)算機(jī)輸出我們所需的目標(biāo)內(nèi)容,”顏教授說(shuō)。
DNA納米架構(gòu)的多樣性和多功能性使其能夠應(yīng)用于微型邏輯門控和納米計(jì)算機(jī),擁有獨(dú)特特性的先進(jìn)材料、納米電子和納米電路。
在最近的研究中,DNA折紙納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)證明了提高化療、降低副作用甚至耐藥管理的效果。
顏教授是亞利桑那州立大學(xué)分子科學(xué)學(xué)院杰出教授,負(fù)責(zé)指導(dǎo)分子設(shè)計(jì)與仿生學(xué)生物設(shè)計(jì)中心,他與麻省理工學(xué)院生物設(shè)計(jì)成員張峰和Xiaodong Qi,以及生物和化學(xué)工程系的Mark Bathe教授合作。ASU團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)專業(yè)知識(shí)來(lái)驗(yàn)證MIT團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)。
無(wú)止境的形式
DNA折紙的力量在于這種方法能夠設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個(gè)幾乎無(wú)限的形式組,這些形式可以由它們的組件們自我組裝?;炯夹g(shù)包括一段單鏈DNA,通過(guò)四個(gè)互補(bǔ)核苷酸的堿基配對(duì)精心折疊成所需形狀。為了完成納米形態(tài),從20-60個(gè)核苷酸長(zhǎng)度的短DNA片段(短鏈)開始添加。
最初DNA折紙被用來(lái)設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單的二維結(jié)構(gòu),包括星星、三角形和笑臉,這些直徑僅為十億分之一的物體,只能用先進(jìn)的成像技術(shù)(主要是原子力顯微鏡,AFM)才能看到。DNA折紙技術(shù)自那時(shí)起經(jīng)歷了迅速發(fā)展,允許設(shè)計(jì)和建造幾乎任意二維或三維物體。
這項(xiàng)技術(shù)的迅速發(fā)展是由于支架式DNA折紙機(jī)建造DNA的可能性不斷擴(kuò)大,以及DNA在生理環(huán)境中的安全性和穩(wěn)定性的不斷提高。盡管納米材料自組裝具有令人印象深刻的可靠性,但設(shè)計(jì)各種形狀所需的實(shí)際設(shè)計(jì)階段卻是高度復(fù)雜和勞動(dòng)密集型的,特別是將短鏈折疊成所需幾何結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)腳手架。
在可視化軟件的幫助下,該步驟通常是針對(duì)每個(gè)幾何圖形手動(dòng)處理的。缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)生產(chǎn)精確的主鏈和折疊支架,意味著,DNA折紙的強(qiáng)大技術(shù)很大程度上只能被該領(lǐng)域的專家所用。
新研究提供了一個(gè)完全自動(dòng)化的替代方案。對(duì)于自動(dòng)化過(guò)程,給定二維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者首先對(duì)所需形狀的外部邊界進(jìn)行簡(jiǎn)單的手繪,手繪圖作為輸入,程序?qū)S盟惴ㄗ詣?dòng)確定內(nèi)部結(jié)構(gòu),或者用另一種方法,使用連續(xù)線事先繪制完整的內(nèi)外邊界幾何圖形。
無(wú)論采用哪種技術(shù),都基于2D幾何作為執(zhí)行自動(dòng)支架和短鏈布線的算法輸入,之后,支架和短鏈的DNA序列可以從商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)訂購(gòu),并按照規(guī)定的加熱和冷卻配方混合在試管中,最后自組裝成成品結(jié)構(gòu),采用AFM成像可視化觀察。
這種方法為非專家提供了容易合成復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的方法,有助于推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。
畫得出來(lái),就做得出來(lái)!
研究表明,這種名為PERDIX(Programmed Eulerian Routing for DNA Design using X-overs)的程序能夠承擔(dān)包括三角形網(wǎng)、正方形和蜂窩狀幾何圖形等15個(gè)不規(guī)則設(shè)計(jì)對(duì)象不同形狀參數(shù)的自動(dòng)序列設(shè)計(jì)。程序獲取需訪問(wèn)研究團(tuán)隊(duì)的網(wǎng)站:http://perdix-dna-origami.org。
PERDIX是一種看似簡(jiǎn)單、用戶友好的二維DNA納米結(jié)構(gòu)生產(chǎn)方法,但是其背后是多年的試驗(yàn)和失敗。
在使用上,PERDIX可以通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)將任何2D多邊形網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為架構(gòu)DNA納米形態(tài)藍(lán)圖。該軟件的簡(jiǎn)單性和便捷性使非專業(yè)人士也能夠?qū)缀跞魏?D多邊形形狀轉(zhuǎn)換為完整設(shè)計(jì),從而“打印”出二維納米DNA結(jié)構(gòu)。
原文檢索:Autonomously designed free-form 2D DNA origami
來(lái)源:生物通

