DNA折纸让它变大

三个独立的研究小组公布了一系列由DNA雕刻而成的大型复杂物体，扩大了DNA自组装可以制造的纳米级结构的范围。由加州理工学院领导的小组露露钱,哈佛大学的彭殷慕尼黑工业大学(TU Munich’s)•迪茨各有各自的互补方法。

肖恩·道格拉斯他强调，现在最大的DNA结构重达数十亿道尔顿，比十年前最大的DNA结构重1000倍。Dietz的团队构建的管子也可以达到1000纳米长，是以前最大的DNA结构的十倍。

迪茨的团队还设计了一种生产DNA链的方法，每毫克23欧元(20英镑)，不到目前成本的三分之一。他们说，这个数字可能会降低到每毫克0.18欧元。道格拉斯说:“在技术发展中，每当你看到一种方法的性能提高了10倍，同时成本降低了10倍，这通常预示着一些令人兴奋的应用即将出现。”

值得注意的是在美国，DNA构建已经有至少26年的历史了1991年，纽约大学(New York University)的内德·西曼(Ned Seeman)发表了他的研究小组从10条DNA链中组装出的立方体。从那以后的几年里，研究人员逐渐制造出更大、更复杂的DNA物体，并将它们用于计算和机械函数．一项关键的底层技术被称为DNA折纸，它依赖于用其他几十条更短的短链将一条长DNA支架链强迫成所需的形状。

然而，Dietz说，该领域在应用方面有些“停滞不前”。他说:“大多数都是针对基础科学领域的利基领域，通常在微克甚至更小的范围内运行。”但他补充说，学习建造更大、更复杂的结构可能有助于解决这个问题。

升级自组装

Dietz的团队受到病毒的启发，病毒的外壳只包含几种闭合成规则形状的蛋白质亚基。他们探索了DNA折纸亚基是否也能做到这一点，尝试了不同的设计，并研究了它们的特性低温电子显微镜．他们发现，这些第一级亚基需要形成精确的形状，并具有刚性，才能成功地在第二级和第三级进行自组装。

迪茨解释说:“亚基需要承受溶液分子的碰撞——表面有一定的相对角度，如果它们波动太大，它们永远不会形成一个封闭的物体。”它们也不应该捆绑得太紧，因为它们会被困在部分形成的状态中。“如果我们有足够弱的相互作用，那么亚基可以结合，也可以分离。如果你有一些错误地粘在一起的亚基，它们就会再次脱落。”

现在可以想象，创造出与细菌大小相似的更复杂的人工分子机器

露露钱

慕尼黑工业大学团队的最终设计使用了v型的一级DNA折纸亚基，它们可以连接起来成二级350纳米直径的环或“反应顶点”。¹根据它们的形状，反应顶点可以在三级病毒大小的四面体、六面体或十二面体笼子中相互连接和闭合。最大的一个重达12亿道尔顿，包含220个DNA折纸单位。类似地，这些环可以连接到第三层，1000纳米长的管。

虽然慕尼黑工业大学的方法意味着所有的组装都必须是对称的，但加州理工学院团队的多级组装方法创建了定制设计。他们生产由64块DNA折纸拼图制成的二维图像，高达8704像素，700纳米宽．²钱学森的研究生解释说:“一旦我们合成了每个单独的瓷砖，我们就把每个瓷砖放入自己的试管中，总共有64个试管。菲利普·彼得森．“首先，我们将某些管子的内容物组合在一起，得到16个2乘2的正方形。然后以某种方式将它们组合在一起，得到四个管子，每个管子都有一个4乘4的正方形，然后最后四个管子组合在一起，形成一个由64块瓷砖组成的8乘8的大正方形。我们设计了每块瓷砖的边缘，这样我们就能确切地知道它们将如何组合。”

钱学森的团队称这种方法为分形组装，将其与特征在不同尺度上重复的分形物体进行比较。澳门万博公司在不同层次上重复设计原则，允许他们使用相同的一小组DNA链，以任何可能的模式建造越来越大的结构。“通过分形组装，现在可以想象出更复杂的人工分子机器，其大小与细菌相似，”钱说manbetx手机客户端3.0．

挑选和混合砖块

与加州理工学院和慕尼黑工业大学的团队不同，尹鹏的哈佛团队没有使用DNA折纸技术。相反，他的团队在此基础上继续发展2012年的“DNA砖”作品该方法将100条单独的32碱基长链混合在一个锅中，形成坚固的DNA立方体。每条链都是唯一的，有四个不同的八碱基识别区域，弯曲成u形，在其他四条链的特定位置相互锁扣。“每个组件只知道如何绑定到四个本地邻居，”尹解释道。通过从这些立方体中省略某些链，它们留下空隙，形成二维图像和小型三维物体。

尹的团队想要制作更大的三维形状，中间有空洞。经过几年的研究，他们使用了更长的52碱基链和四个13碱基识别区，他们能够用2万条独特的线形成这样的物体．^3.最终的立方体每边100纳米，重达10亿道尔顿。

尹设想将两组方法的基本原则结合起来。他说:“我希望我们能制造出比我们在这里展示的更大、更复杂的物体，这已经证明了复杂性增加了一百倍。”他说，可能还会有10倍甚至100倍的产能增长。

迪茨指出，对于许多实验室来说，生产如此大量的链可能非常昂贵。为了降低成本，他的团队招募了大肠杆菌细菌制造数百个DNA钉以及基于DNA的酶，这些酶可以在一个巨大的循环中释放它们．⁴它们可以通过感染大肠杆菌用工程噬菌体病毒，它包含了循环的蓝图。在培养细菌并提取DNA环后，添加锌激活酶并释放主食。

这些令人印象深刻的里程碑仅仅是个开始

肖恩·道格拉斯

尽管该团队只在实验室规模的2升反应堆中完成了这项工作，但Dietz说，这一过程应该会扩大到数千升，这应该会使探索DNA纳米结构的能力在药物输送等新应用中变得切实可行。迪茨强调，由于生产大量DNA的成本高昂，还有很多未知的科学领域。他说:“你可以着手进行动物研究，看看我们是否可以将定制的DNA对象用于治疗。”数量确实是该领域的一大瓶颈。

Elisa佛朗哥加州大学河滨分校的教授称这些论文是“DNA纳米技术领域令人印象深刻的成就”。然而，她也希望看到折叠速度的提高，因为尽管这些论文没有说明形成最终结构需要多长时间，但通常需要几天。

道格拉斯也认为，还有更多的挑战需要解决，特别是如果这种结构被集成到像他所研究的DNA纳米机器人这样的应用程序中。他说，这些令人印象深刻的里程碑可能会给人一种主要挑战已经解决的印象，但它们只是刚刚开始。“我想，当计算机先驱们终于让晶体管工作得足够好，可以让戈登·摩尔(Gordon Moore)绘制他著名的外推图时，他们也有同样的感觉。”

更正:2017年12月8日，其中一个DNA结构的单位被更正