“DNA折疊術”正迅速走向應用制造納米級的結構和機器

科學家設想的通過編程，讓形狀互補DNA零件自行組裝成納米機器。

　　最近，德國慕尼黑工業大學創造出了一些新型納米設備：一個會動手臂的機器人，一本能打開、合上的書，一個能開關的齒輪傳動裝置，還有一個促動器——或許這些已經很吸引人了，但還不是重點。重要的是這些設備體現了科學上的突破——把DNA作為一種可編程的建筑材料，用于制造納米級的結構和機器。

　　研究人員發表在《科學》雜志上的上述成果，揭示了一種新的DNA連接方法。重組和模塊化的三維DNA組件有著互補的形狀，能很容易扣在一起，而不是像拉鏈似的拉在一起的堿基對。這不但能造出會動的納米機器，而且提供了一種工具包，使研究人員對模塊自行組裝編程更加容易。

　　新一代DNA折疊術

　　據慕尼黑理工大學教授亨德里克·戴茨介紹，這一領域通常叫做“DNA折疊術”，正在迅速走向實際應用。日前，戴茨因為在這一領域的研究獲得了德國最重要的研究獎項——戈特弗里德·威廉·萊布尼茨獎。

　　近年來，戴茨和他的團隊在DNA折疊術的應用方面邁出了重要的幾步，比如開發出一些實驗裝置，包括一個由DNA制造的人工膜通道；發現了能大大節約時間的自組裝程序，使整個組裝過程從一周縮短到幾小時；證明了極其復雜的結構也能按設計組裝，并具有亞納米級的精度。

　　然而，以往所有的進步都要用到“堿基配對”，以此決定溶液中每條鏈和DNA組合之間該怎么結合。新研究中最新奇的東西是“膠水”。

　　“一旦你用堿基對造出了一個組裝單位，就很難打破它。”戴茨解釋說，“所以動態結構所用的方法通常在結構上是很簡單的。”為了能讓會動的DNA納米機器更普適，有更廣泛的潛在用途，研究小組從自然的生物分子工具箱中借鑒了兩種技術：蛋白質的形狀互補方法和它們形成相對弱鍵的趨勢，前者可以簡化分子之間的對接，后者能在不需要時斷開連接。

　　仿生可提高靈活性

　　研究人員還從一種自然機制中獲得了靈感：讓核酸分子通過比堿基對更弱的鍵“粘合”在一起。在自然界，當RNA基酶RNase P“認出”轉移RNA時，利用它們的互補外形能形成這種弱鍵，分子則被引導到足夠近的范圍，就像宇宙飛船與空間站對接。

　　戴茨實驗室的新技術模仿了這一方法。為造出動力DNA納米機器，他們開始編程，讓有著互補結構的3D模塊自行組裝，然后激活一種稱為“核基堆積”的短距離結合機制，在空間里把這些單位模塊搭扣在一起。他們有3種不同的方法，可以控制這些DNA模塊的形狀和功能。戴茨說：“這些帶給我們的是分等級的作用力、按要求精確定位的能力以及模塊彼此識別、相互匹配的穩定區域。”

　　戴茨小組由此造出了一系列DNA設備：從微米級的細絲，到會動的納米機器，都顯示了這一技術的潛在應用能力。

　　小組人員還傳來一個三維納米人型機器人的電子顯微圖，以確認它身上的模塊是精確地按設計組合的。此外，他們還展示了一種簡單的控制方法，能改變溶液的正離子濃度——這可以讓DNA模塊在不同組態之間切換：組裝或解開，比如讓機器人的“手臂”脫離，或留在它身上。

　　另一種方法是簡單地提高或降低溫度，也能讓DNA納米設備在不同結構狀態之間“切換”，而這種方法被證明非常有效。對早期的DNA設備來說，需要分開和重連DNA堿基對，通過稀釋和單邊反應只能進行幾輪切換，系統就會“疲勞”。小組論文中還描述了一種剪刀狀的促動器，在4天時間里承受了1000多次的溫度切換循環，而沒有衰減的跡象。

　　戴茨補充說：“溫度循環是把能量導入系統的一種方法，所以能把可逆的形狀變換與某種可持續進程結合在一起的話，不僅能制造納米機器，還能給它們提供能量。”

　　類似小孩子玩積木

　　值得一提的是，DNA設備靈活性的一方面，這只需添加形狀互補零件就能實現，其關鍵技術就是弱鍵結合DNA納米技術工具包。研究人員指出，只用“堿基配對”來編寫自組裝程序，就像用機器語言來寫計算機代碼。他們希望，新方法能讓DNA折疊術在面向使用終端時更加容易，就像高級計算機程序語言的出現，刺激了軟件工程的進步。

　　戴茨把這項工總比作是孩子們玩“樂高”積木，他說：“你只需把組合零件設計成互補的就可以，而無需再擺弄堿基對序列讓它們來連接零件。”