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折纸纳米兔宝宝,DNA分子制造

根据一篇发表在《自然》上的研究,现在要把DNA折叠成纳米兔宝宝比从前容易多了。折叠DNA并不是新技术,它被称为DNA折纸,但把它自动化则是新发明。归功于一组计算机算法,研究人员们开发了一种流水化DNA装配前设计阶段的方法,这是通向纳米尺度3D打印的坚定一步。

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如果DNA折纸是一个乐高工程,那“碱基对”就是乐高积木块,这是构成DNA双螺旋的生物单位。这些单位遵循严格的配对规则,比如“A”碱基只能和“T”碱基组合形成一对,而“C”只能和“G”连接。当它们组合到一起时碱基对会形成非常可预测的形状,而科学家们正开始利用这些形状。这是DNA纳米技术的领域,该领域瞄准用DNA设计和制造微小的结构,用来运送药物,甚或制造电子器材。目前,DNA操纵费时且昂贵;新方法有希望使其更简单和廉价。


这就是为什么今天的研究很有用。它是通向全自动构建方法的坚实一步——就像是你那台友好的家用3D打印机,但是用在DNA上。


在研究中,研究人员们使用设计软件在三维空间中画出复合的形状,例如瓶子、兔子,以及招手的人形。然后,他们使用特别量身定制的计算机软件来规划将要构成3D物体的DNA骨架。比如当研究者们在一只3D兔宝宝上跑他们的算法,计算机就吐出一系列DNA短链,让它们在合适的温度条件下结合,就会自动装配形成这只兔子。


算法会映射出制造兔宝宝所需的DNA序列


下一步就是订购建筑材料,因此研究人员把他们用计算机生成的单子寄给一家叫做集成DNA技术的公司,该公司专事从病毒中制造DNA。他们拿到了供应材料:灌装有差不多200个DNA短链的小试管。把这些短链通过加热和冷却工序就能让它们遵循算法确定的精确路径自动装配。


研究者们做完这些,手上就有了纳米尺度的兔子形状DNA分子。瑞典卡罗林斯卡研究所化学家和共同作者Björn Högberg说:“所有这些DNA链就在结构里找到他们的正确位置。”


德累斯顿工业大学化学家Thorsten Schmidt (并未参与研究)说:“这是以前没有人做过的,既新奇又令人惊讶,事实上,我们有一个非常相关的研究现在正在评审,Björn Högberg研究的唯一缺点就是他们赶在了我们前面。”


虽然这枚兔宝宝很萌,但这不是研究的重点。它示范了科学家们能自动化生成DNA序列来形成复合形状——这是在非常微小尺度上最接近3D打印的方法。Högberg说:“差不多就是点开快捷方式的事情。”而如果科学家们能够全自动化这个流程,他们就有能使唤的真正的DNA打印机了。它能做的事情包括制造更容易向身体正确位置给药的药物。


事实上,如何应用这些技术已经有了很多想法。在给药方法之外,研究人员们正在研究给DNA结构镀上非生物材料,比如黄金,当结构遇到光照时就会起反应。


给药方法和镀金DNA


但在目前,这枚兔宝宝和瓶子等并没什么才艺。Högberg说:“我们并不关心基因信息,我们纯粹使用DNA作为建筑材料。”


现在该研究已经发表,研究者们想找到一种自行制造建筑材料的方式。Högberg表示他们也许会使用自然DNA——取自植物或他们自己培养的细菌——而不是合成DNA。


Högberg说:“我们在纳米尺度上建造结构非常在行。”研究人员们只需要找到一种办法很便宜地制造出很多只兔宝宝——而且一次性全部同时造出来。


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