四篇 Nature 重量级论文报道 DNA 折纸突破进展

2017-12-08 序说
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分形组装过程构建蒙娜丽莎的概念动画

DNA 是一种强大的构建载体,它的序列可以被设计,精确自我组装。由此 2006 年美国加州理工学院计算机生物工程师 Paul Rothemund 开发了一种 “DNA 折纸术”( DNA origami technique),像折叠一条长带子那样,把一条 DNA 长链反复折叠,形成需要的图形,就像用一根单线条绘制出整幅图画。经过近十年的发展,DNA 折纸技术已经变得更加强大了。最新一期(12 月 6 日)的 Nature 杂志上公布了四项最新突破性成果,三个研究小组利用各种新策略,组装出了比以前更大的 DNA 结构,而且这些方法也能帮助 DNA 折纸以更低成本批量生产,这代表着这一研究领域的一大跃进。

在第一篇论文(Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns)中,来自加州理工学院生物工程系的钱璐璐(Lulu Qian)博士等人受到数学中 “分形 (Fractals) ” 概念的启发,研发出了一种成本低廉的新折纸技术。

“分形 (Fractals) ” 其实是指不同尺寸的相关物体重复出现,比如不同大小的血管,或者雪花晶体。“如果要从一组特殊的 DNA 链开始,构建非常复杂的 DNA 纳米结构,就必须将组装过程分解成多个更简单的步骤。在每一步中,几个较小的结构单元都是在各自试管中组装出来,然后再将它们混合在一起,进一步自组装成更大的结构”,钱博士说。她的研究团队也开发了在线软件,从而其他研究组也可以使用这一技术了。

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公鸡,细菌和蒙娜丽莎的 “DNA 折纸” 原子力显微图像

在第二篇论文(Gigadalton-scale shape-programmable DNA assemblies)中,来自慕尼黑理工大学的生物物理学家 Hendrik Dietz 的研究小组则是采用的 DNA 折纸技术与逐步构建策略,也就是自然界中分子机器采用的方法,例如对称性和多层次的装配过程。这些方法令他的团队 “从 DNA 折纸之前的 megadalton 单位发展成了 gigadalton 单位”。

在第三篇论文(Biotechnological mass production of DNA origami)中,Dietz 等人还利用噬菌体大量生产自切割单链 DNA,然后将其组装成肉眼可见的纳米结构。

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中间组装产物的透射电子显微照片(左)和完全组装的十二面体(右)。缩放比例为 50 纳米

在第四篇论文(Programmable self-assembly of three-dimensional nanostructures from 10,000 unique components)中,哈佛医学院 Wyss 生物工程研究所的系统生物学家尹鹏(Peng Yin)等人采用的是与上述两者都不同的一种新策略:传统 DNA 折纸技术是用长支架链和短链搭建而成,而尹鹏研究组从 DNA 短链中构建了一个包含 52 个核苷酸的 DNA 单元,就像是一块乐高积木。

尹鹏说:“与传统的脚手架折纸相比,DNA‘积木’具有许多优点。 首先它是模块架构,这意味着如果你想设计不同的形状,只需要从现有的 DNA‘积木’库中寻找,进行组装。其次这种方法不需要长的脚手架链,至少从原理上来说,它应该更具可扩展性。”

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10,000 个 DNA“积木”搭建出了一个泰迪熊形状的空腔

这些研究人员都希望能通过增加组装结构的尺寸,最大限度地提高核酸生产能力,从而创建和测试可以用于各种应用的分子结构。 Dietz 表示他的研究组小组对 分子疗法 特别感兴趣,“你可以在纳米结构表面上将病毒蛋白作为抗原,然后获得免疫反应,这样就不需要让生物机体接触实际的病毒。这是完全合成的。将来还会有很多有趣的临床应用”,他解释说。

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包括 V 形,矩形和三角形 DNA 折纸砖组成的 自组装 十二面体的代表性图像。结构的半径约为 220 纳米,分子量约为 1.2gigadaltons

期刊参考

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1 Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns 暂无下载
2 Programmable self-assembly of three-dimensional nanostructures from 10,000 unique components 暂无下载
3 Biotechnological mass production of DNA origami 暂无下载
4 Gigadalton-scale shape-programmable DNA assemblies 暂无下载

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