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“DNA折叠术”正迅速走向应用

最近,德国慕尼黑工业大学创造出了一些新型纳米设备:一个会动手臂的机器人,一本能打开、合上的书,一个能开关的齿轮传动装置,还有一个促动器——或许这些已经很吸引人了,但还不是重点。重要的是这些设备体现了科学上的突破——把DNA作为一种可编程的建筑材料,用于制造纳米级的结构和机器。

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研究人员发表在《科学》杂志上的上述成果,揭示了一种新的DNA连接方法。重组和模块化的三维DNA组件有着互补的形状,能很容易扣在一起,而不是像拉链似的拉在一起的碱基对。这不但能造出会动的纳米机器,而且提供了一种工具包,使研究人员对模块自行组装编程更加容易。


新一代DNA折叠术


据慕尼黑理工大学教授亨德里克·戴茨介绍,这一领域通常叫做“DNA折叠术”,正在迅速走向实际应用。日前,戴茨因为在这一领域的研究获得了德国最重要的研究奖项——戈特弗里德·威廉·莱布尼茨奖。


近年来,戴茨和他的团队在DNA折叠术的应用方面迈出了重要的几步,比如开发出一些实验装置,包括一个由DNA制造的人工膜通道;发现了能大大节约时间的自组装程序,使整个组装过程从一周缩短到几小时;证明了极其复杂的结构也能按设计组装,并具有亚纳米级的精度。


然而,以往所有的进步都要用到“碱基配对”,以此决定溶液中每条链和DNA组合之间该怎么结合。新研究中最新奇的东西是“胶水”。


“一旦你用碱基对造出了一个组装单位,就很难打破它。”戴茨解释说,“所以动态结构所用的方法通常在结构上是很简单的。”为了能让会动的DNA纳米机器更普适,有更广泛的潜在用途,研究小组从自然的生物分子工具箱中借鉴了两种技术:蛋白质的形状互补方法和它们形成相对弱键的趋势,前者可以简化分子之间的对接,后者能在不需要时断开连接。


仿生可提高灵活性


研究人员还从一种自然机制中获得了灵感:让核酸分子通过比碱基对更弱的键“粘合”在一起。在自然界,当RNA基酶RNase P“认出”转移RNA时,利用它们的互补外形能形成这种弱键,分子则被引导到足够近的范围,就像宇宙飞船与空间站对接。


戴茨实验室的新技术模仿了这一方法。为造出动力DNA纳米机器,他们开始编程,让有着互补结构的3D模块自行组装,然后激活一种称为“核基堆积”的短距离结合机制,在空间里把这些单位模块搭扣在一起。他们有3种不同的方法,可以控制这些DNA模块的形状和功能。戴说:“这些带给我们的是分等级的作用力、按要求精确定位的能力以及模块彼此识别、相互匹配的稳定区域。”


戴茨小组由此造出了一系列DNA设备:从微米级的细丝,到会动的纳米机器,都显示了这一技术的潜在应用能力。


小组人员还传来一个三维纳米人型机器人的电子显微图,以确认它身上的模块是精确地按设计组合的。此外,他们还展示了一种简单的控制方法,能改变溶液的正离子浓度——这可以让DNA模块在不同组态之间切换:组装或解开,比如让机器人的“手臂”脱离,或留在它身上。


另一种方法是简单地提高或降低温度,也能让DNA纳米设备在不同结构状态之间“切换”,而这种方法被证明非常有效。对早期的DNA设备来说,需要分开和重连DNA碱基对,通过稀释和单边反应只能进行几轮切换,系统就会“疲劳”。小组论文中还描述了一种剪刀状的促动器,在4天时间里承受了1000多次的温度切换循环,而没有衰减的迹象。


戴茨补充说:“温度循环是把能量导入系统的一种方法,所以能把可逆的形状变换与某种可持续进程结合在一起的话,不仅能制造纳米机器,还能给它们提供能量。”


类似小孩子玩积木


值得一提的是,DNA设备灵活性的一方面,这只需添加形状互补零件就能实现,其关键技术就是弱键结合DNA纳米技术工具包。研究人员指出,只用“碱基配对”来编写自组装程序,就像用机器语言来写计算机代码。他们希望,新方法能让DNA折叠术在面向使用终端时更加容易,就像高级计算机程序语言的出现,刺激了软件工程的进步。


戴茨把这项工总比作是孩子们玩“乐高”积木,他说:“你只需把组合零件设计成互补的就可以,而无需再摆弄碱基对序列让它们来连接零件。”


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