面向未來的DNA納米建筑學

　　在細胞中，DNA的主要任務(wù)是把信息從一代傳遞到下一代。但科學家們也看到，利用它們的自行組裝能力，可以用DNA單元來設(shè)計蛋白質(zhì)和其他大分子。加上其特有的高穩(wěn)定性和靈活性，DNA正在成為納米結(jié)構(gòu)的理想建材，這種稱為納米建筑學的方法正在發(fā)展成一種多樣化的工具，用于藥物遞送、生物傳感器、人造光合電池等許多領(lǐng)域。

　　DNA折疊技術(shù)

　　5年前，加州理工學院計算生物工程師鮑爾·羅斯蒙德推出了一種全新的設(shè)計策略，稱為DNA折疊術(shù)，把長的DNA鏈在二維平面上折疊，再以較短的鏈“釘”固定，構(gòu)成各種各樣的“建筑物”。幾年后，哈佛醫(yī)學院威廉姆·施的實驗室將這一概念變成了三維，設(shè)計出更復雜的曲線和彎曲結(jié)構(gòu)，為納米水平的合成生物設(shè)計開辟了新道路。

　　DNA由A腺嘌呤T胸腺嘧啶G鳥嘌呤和C胞嘧啶4種核苷酸組成，根據(jù)基因規(guī)則，一條鏈上的A只能與另一條鏈上的T結(jié)合，同樣C只能與G結(jié)合。按照這種配對規(guī)則，兩條天然的DNA鏈就能找到彼此的伴侶。但在實驗室里搭建納米建筑，生物重要性的基本規(guī)則被去除。研究人員能讓DNA雙螺旋序列，形成一種想要的結(jié)構(gòu)。

　　麻省理工大學生物工程師、應(yīng)用生物副教授馬克·貝瑟曾用一種病毒的基因組搭建了大約8000個核苷酸，生成了二維的星星、三角和笑臉圖案。他說：“使用DNA，你能在最小的尺度對自行組裝的序列進行設(shè)計，再把它們折疊成某種特殊結(jié)構(gòu)，把不同的DNA連在一起，造出大一些的物體。DNA在許多方面比蛋白質(zhì)更適合自行組裝，蛋白質(zhì)的物理性質(zhì)不利于控制，對環(huán)境也過于敏感。”

　　設(shè)計過程自動化

　　既往的人造DNA大分子結(jié)構(gòu)，大多是受靈感啟發(fā)的創(chuàng)舉。隨著納米建筑變得越來越復雜，一個主要障礙逐漸暴露出來，即設(shè)計過程自動化。

　　“簡單地調(diào)用DNA基本片斷來構(gòu)建想要的任何形狀，讓非專家也能使用DNA折疊術(shù)來設(shè)計自己想要的三維納米結(jié)構(gòu)，才能打開無限想象?！必惿f，“我們在開發(fā)一種設(shè)計工具，從一個復雜的三維形狀的畫面開始，按照運算法則尋找一個最佳的序列產(chǎn)品。為了讓更多人都能使用這種納米組裝技術(shù)，包括沒有DNA折疊技術(shù)知識的生物學家、化學家、材料科學家，需要計算工具的完全自動化，只需很少的人工輸入或人為操作。”

　　目前，貝瑟領(lǐng)導的研究小組和德國慕尼黑理工大學同行合作，已經(jīng)開發(fā)出這種軟件，能根據(jù)給定的DNA模板預測它的三維形狀。盡管軟件的設(shè)計過程還沒實現(xiàn)完全自動化，但使用者已經(jīng)能很容易地生成復雜的三維結(jié)構(gòu)，控制它們的靈活性、折疊的穩(wěn)定性等。近日出版的《自然·方法學》詳細介紹了這一軟件。

　　這是一種處理DNA折疊及組合構(gòu)型的初級技術(shù)軟件?！按罱―NA的瓶頸是把這種技術(shù)推廣使用，而現(xiàn)在只有受過專門培訓的研究人員，才能用基本的DNA建材進行折疊設(shè)計。”貝瑟說。

　　他們的新軟件程序和哈佛醫(yī)學院威廉姆·施實驗室開發(fā)的caDNAno軟件兼容，caDNAno能讓用戶從二維開始，手動操作將DNA折疊成基本的構(gòu)架。而新程序名為CanDo，利用了caDNAno的二維藍圖，靈活地旋轉(zhuǎn)、彎曲、拉伸DNA，折疊成復雜的三維形狀，并能預測設(shè)計的最終形狀，讓最終的DNA建筑形狀不再取決于直覺和偶然的靈感。

　　在分子水平，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的壓力降低了折疊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還會帶來局部缺陷，妨礙折疊組裝的進一步拓展。羅斯蒙德說：“過去我們沒有合適的設(shè)計工具，很難分析各種構(gòu)型中的壓力和拉力，也很難為某種特殊目的而設(shè)計。”這種CanDo程序能讓設(shè)計者更全面地測試DNA結(jié)構(gòu)，恰當?shù)卣郫B它們。貝瑟實驗室目前仍在開發(fā)CanDo的功能，改進用DNA基礎(chǔ)構(gòu)架進行折疊的設(shè)計程序。

　　開發(fā)納米機器

　　不久前，德國法蘭克福大學的亞歷山大·?？藸柦淌诤退牟┦可┟芴刂谱髁艘粚H18納米大小、互相連在一起的DNA環(huán)。施密特在制作這對連環(huán)扣期間結(jié)婚了，妻子也是研究小組成員，他們于是將這一成果稱作是“世界上最小的婚戒”。

　　雖然連環(huán)扣比可見波長還要小，用普通顯微鏡也看不到，只能憑借掃描原子力顯微鏡才能顯示出來，但站在科學的角度，卻在DNA納米技術(shù)領(lǐng)域具有里程碑的意義。以往的DNA納米建筑主流，只形成固定不變的形狀，而連環(huán)扣卻能根據(jù)環(huán)境條件自由地轉(zhuǎn)動，有望成為未來分子機器或分子馬達的組成部件。

　　有了可靠的方法來搭建DNA建筑，它卻不僅局限于靜態(tài)結(jié)構(gòu)，下一步就是能自動運行的納米機器。“DNA運輸車”就是一種，精心設(shè)計的DNA運輸車會根據(jù)目標癌細胞發(fā)出的特殊化學信號，將攜帶的藥物送到身體的某個特殊部位，釋放出藥物而殺死癌細胞。

　　“DNA折疊術(shù)能在納米水平構(gòu)建非常精細的結(jié)構(gòu)。我們正在拓展這種獨特的性質(zhì)，用于更多方面，包括人造光電池?！必惿f，比如復制植物光合作用細胞中的光捕獲器官，這是一種包含20個蛋白質(zhì)分子單元的復雜序列。要“人造”出這種“機器”來，必須把各組成部分按照特定的位置和方向結(jié)合在一起，這正是DNA折疊技術(shù)要做到的。

　　“盡管這種應(yīng)用目前還較為遙遠，但我們相信在不久的將來，這個方向上的預測工程軟件是必不可少的?！必惿赋?，哈佛大學也開發(fā)出了名為BIOMOD的軟件，包括麻省理工大學、哈佛大學和加州理工在內(nèi)的十幾個研究小組，都在設(shè)計納米水平的生物分子，用于機器人、計算或其他領(lǐng)域。

來源：藥品資訊網(wǎng)信息中心

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