折疊DNA有望精準制備納米材料

DNA納米折紙術已被應用于光學材料的諸多領域。圖片來源：科界App

　　DNA折紙術雖然給納米材料帶來了無限的想象空間，但是，想要隨心所欲地折疊DNA鏈，說起來容易做起來難。

　　DNA只能是雙螺旋結構嗎？當然不是，它還可以是網狀、方形、心形，甚至可以拼出復雜的“中國地圖”。

　　需要通過光學顯微鏡才能查看的DNA鏈，科學家竟然也能像折紙一樣，把它們有目的地折疊成各種納米結構，這也被稱為DNA納米折紙術。

　　作為一種精確高效的DNA自組裝方法，DNA納米折紙術應用的范圍越來越廣。中科院國家納米科學中心研究員丁寶全告訴《中國科學報》記者，該技術目前已被應用于光學材料的精確可控制備、藥物與基因靶向遞送等諸多領域。

　　不久前，丁寶全課題組就首次利用DNA折紙結構為載體高效且可控地完成了化療和基因治療的聯合給藥，該研究成果已在線發表于《德國應用化學》雜志。

　　然而，由于制備成本高、穩定性差等問題，想要通過折紙術搭建一座DNA“樂高”，并非易事。

　　高科技折紙術

　　DNA之所以可以按需求被折疊、粘貼，還要歸功于它獨特的雙螺旋結構：兩條平行、反向的單鏈之間按照精密的堿基互補原則相連接，A（腺嘌呤）與T（胸腺嘧啶）、G（鳥嘌呤）與C（胞嘧啶），就像一把鑰匙配一把鎖，具有唯一性和高度特異性。

　　這些堿基的化學組成使得設計好ATGC排序的兩條DNA單鏈，能在茫茫鏈海中找到彼此，緊緊結合，最終組成科學家想要的形狀。

　　“DNA納米折紙術是一種獨特的自下而上構建DNA自組裝納米結構的方法。”丁寶全告訴記者，該技術是以一條長單鏈DNA（通常是一條噬菌體的基因組DNA）為模板，在數百條短單鏈DNA（折疊鏈）的輔助下，通過核酸序列雜交形成預先設計的具有特定尺寸和形貌的二維或三維納米結構。

　　在中科院上海應用物理研究所研究員樊春海看來，DNA納米折紙術是分子自組裝技術的一個典型范例，代表了人類借助自然進化的力量（DNA分子），實現了接近隨心所欲的納米尺度的3D打印。

　　那么，DNA折紙具體是如何實現的？據丁寶全介紹，要制備DNA納米折紙結構，首先需要通過程序化軟件進行序列設計，然后將模板鏈和輔助折疊鏈以一定比例混合進行退火雜交，并將獲得的組裝結構進行后續的功能化修飾和最終純化等操作。

　　在折疊DNA時，DNA短鏈就像一個個“圖釘”，“釘”在DNA長鏈構成的支架上，這樣才能固定被折疊的長鏈，保證DNA長鏈組成的圖形不會散開。最后再將DNA長鏈和短鏈一起放入一種堿性溶液加熱，它們就會自動結合在一起，形成起初設計的圖案。

　　丁寶全表示，DNA納米折紙術構建的DNA納米材料完全由生物大分子DNA組成，具有良好的生物安全性。而且，由于每條DNA鏈都彼此不同，整個DNA折紙結構是完全可尋址的，可在任意指定位點對結構進行功能化修飾。不僅如此，通過具有特定結構的DNA序列設計，也能實現對特定信號的響應和檢測。

　　讓載體給藥更精準

　　目前，科學家已經利用DNA納米折紙術創建了多種結構，靜止結構如二維和三維晶體結構、毫微管、多面體和其他造型；功能結構如納米機器、DNA計算機、藥物載體等。

　　樊春海告訴《中國科學報》記者，目前，DNA納米折紙術在國內蓬勃發展，被廣泛應用于納米制造、納電子和納光子學、生物傳感與納米藥物等領域。特別是在生物醫藥領域，DNA納米折紙術更是提供了前所未有的精度來控制納米藥物的組裝、控釋和靶向。

　　丁寶全課題組此次的研究成果主要是利用DNA折紙結構為載體高效且可控地實現了化療藥物阿霉素和線性小發卡RNA轉錄模板的共傳遞，通過RNA干擾的機制，有效地下調多個腫瘤耐藥相關蛋白的表達，完成了化療和基因治療的聯合給藥。

　　“小鼠活體實驗結果表明，該類DNA納米給藥體系表現出非常好的腫瘤靶向性和生物相容性，能夠對耐藥性乳腺癌腫瘤模型產生顯著的治療效果。”丁寶全表示，該研究基于生物系統的天然核酸結構，實現了對腫瘤的協同治療，擴展了基因治療的研究思路和可應用的領域。

　　“我們會繼續以精準制備DNA納米材料為核心，調控其功能，根據需要‘定制’基于DNA折紙的多功能運輸體系，最終實現包括腫瘤與代謝類疾病在內的精確診斷與治療。”丁寶全表示，發展基于DNA納米結構的生物檢測體系及構建功能載體，研制高效、低毒、靶向、可控的藥物運輸與釋放系統，是目前他們課題組開展的主要方向之一。

　　除此之外，丁寶全表示，利用DNA折紙精確定位組裝金屬納米結構，構建具有特殊光學性質的組裝結構并調控其性能；調控化學反應的過程及產物，例如調控酶級聯反應的過程及合成位點及形貌可控的導電高分子等，也是DNA納米折紙術的主要研究方向。

　　成本及穩定性是待解難題

　　DNA折紙術雖然給納米材料帶來了無限的想象空間，但想要隨心所欲地折疊DNA鏈，說起來容易做起來難。“DNA納米折紙技術目前最大的問題在于制造成本，以及體內穩定性，這方面也是目前國際攻關的重點。”樊春海對記者說。

　　丁寶全也表示，相比于傳統高分子材料，目前用于自組裝的DNA序列的合成成本相對較高。后續需要進一步優化核酸制備工藝，特別是需要提高長片段和特定修飾的核酸序列的合成效率。另外，DNA納米結構的制備主要是在水溶液中完成，并且需要一定濃度的陽離子來穩定，這使其在生物醫學領域應用的穩定性顯得尤為重要。

　　樊春海表示，DNA折紙得到的納米結構需要很高的離子濃度以維持穩定，這使得其它組分在DNA組裝體的進一步沉積變得更加困難。

　　而在美國加州理工學院教授錢璐璐看來，要想讓DNA組裝成復雜的結構，必須要對DNA的生化特性有極為深入的理解。如果不能準確預測每一塊折紙的折疊方式，組裝復雜結構也就無從談起。不僅如此，折疊前還需要理解每一塊DNA折紙的生化特性，只有這樣，才能確保不同的折紙塊“找到自己的伙伴”，按正確的位置組合拼接在一起。

　　為此，錢璐璐團隊有針對性地開發了一款軟件，該軟件可以根據輸入的圖像設計一張DNA畫布。畫布由不同的DNA折紙組合而成，而每一塊DNA折紙都需要精確設計。“這一方法能直接被機器人讀取，自動混合DNA鏈。我們不用費太多力氣，就能讓DNA自我組裝成我們想要的納米結構。”

　　在錢璐璐看來，這種成本低廉、操作簡單的軟件，未來有助于DNA納米折紙術應用于更多領域。