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利用DNA折紙術創造動態納米機器工具箱

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利用DNA折紙術創造動態納米機器工具箱

利用DNA折紙術創造動態納米機器工具箱
（報道）據鳳凰科技（編譯/嚴炎劉星）：科學日報報道，慕尼黑工業大學創造的最新DNA納米設備，包括一個具有可移動手臂的機器人 ， 一本可以開合的書，一個可由開關控制的裝置和一個致動器 。這一創造是將DNA作為納米級別的結構和機器的可編程建造材料的突破性科學進展 。這項發表在期刊《科學》上的研究結果展示了一種結合以及重新排列模塊化3D建造單元的新方法 ， 后者主要是通過拼接互補形狀，而非結合堿基對的鏈來實現 。它不僅開啟了建造具有可移動部件的實用納米機器的新方法，還提供了方便對自我裝配進行編程的工具箱 。
【利用DNA折紙術創造動態納米機器工具箱】這一領域被稱為DNA折紙術(DNA origami)——它借喻了日本傳統折紙技術——它正朝實際應用快速發展，慕尼黑工業大學的亨德里克·迪茨(Hendrik Dietz)教授在本月初這樣表示 。迪茨因在這一進步中所起的作用而被授予德國科研最重要獎項戈特弗里德·威廉·萊布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz)獎 。
近些年，迪茨和他的研究小組在實際應用方向取得了重大進展 ， 其中包括實驗性設備 ， 例如由DNA制成的合成膜通道；還有一些重大發現，后者將自我裝配過程所需時間從一周極大的減少到數小時，并實現產量接近100%；此外他們還證明了極端復雜的結構也可以依照設計精確裝配，并達到亞納米的精確度 。
雖然所有的發展都使用了堿基對來確定單個鏈以及DNA組件是如何結合，但真正的創新在于結合的“膠水” ?！耙坏┠憷脡A基對建造了一個單元，” 迪茨解釋道，“它就很難分離，因此利用這種方法制造的動態結構往往結構簡單 ?！睘榱舜龠M產生具有可移動部件的更多DNA納米機器并潛在的獲得更有用的性能，研究小組從自然的生物分子工具箱里借用了兩種技術：蛋白質使用形狀互補以簡化與其他分子對接的方式，以及它們傾向于形成較弱的結合鍵，這種鍵可以隨時打破 。
生物啟發的靈活性
在這項研究里，迪茨和研究合作作者作者博士研究生托馬斯·格寧（Thomas Gerling）和克勞斯·瓦根鮑爾（Klaus Wagenbauer），以及慕尼黑工業大學慕尼黑工程學院本科生安德里亞·紐內爾（Andrea Neuner）從核酸分子通過比堿基對還要弱的相互作用相結合的機制中得到啟發 。在自然界，當基于RNA的酶核糖核酸酶P(Ribonuclease P，簡寫RNase P)“識別”所謂的轉運RNA，就會形成弱鍵；分子被它們互補的形狀引導進入足夠近的范圍，就像太空飛船的對接一樣 。
迪茨實驗室研發的最新技術模仿了這一方式 。為了創造動態的DNA納米機器，研究人員對形狀互補的3D建造單元的自我裝配進行了編程 。這就激活了一種名為堿基堆疊的微弱、短距離的結合機制 。三種不同的方法都可以控制這種方式創造的設備的形狀和行為 。
“這為我們提供了一個根據相互作用強度分層的層級，以及位于穩定區域——也就是我們需要它所處的精確位置——從而識別并與結合部分相互作用的能力 ?！?迪茨說道 。研究小組產生了一系列DNA設備，從或可能預示著科技“鞭毛”的千分尺大小的細絲到具有移動部件的納米級別的機器——這展示了這一技術的無限可能性，同時測試了它的極限 。
例如，三維納米大小的人形機器人的透射電鏡結果證實了零部件可以精確的按照設計拼接在一起 。此外 ， 它們還展示了一個簡單的控制方法——改變溶液里正離子的濃度——可以在不同配置中積極的相互切換：裝配或者拆卸，“機械手臂”張開或者處于休息狀態 。
實現DNA納米設備在不同結構狀態之間切換的另一種方法——也就是簡單的升溫或者降溫——被證明尤為可靠 。對于這一設備的早期版本，實現結構狀態間的切換要求分離和重新結合DNA堿基對，因此系統很可能在幾次切換后因稀釋或者副反應而“疲乏” 。而這個設備里的一個類似剪刀的致動器在經歷了四天上千次的溫度切換循環后仍未表現出任何退化的跡象 。
“溫度循環是向系統添加能量的方法 。” 迪茨補充說道 ?！八匀绻魏慰赡娴臉嬒筠D變可以耦合成某種持續進化的過程，那么我們就不僅獲得了建造納米機器的方法，還獲得了驅動它們的方法 ?！?br /> 在DNA納米技術工具箱里添加形狀互補的組件以及弱鍵結合還增加了靈活性 。通過堿基對進行自我裝配編程就像利用機器語言編寫計算機代碼 。研究人員希望這一最新方式可以實現DNA折紙術更實際的應用，這就類似更高級的計算機編程語言會促進軟件工程的發展 。
迪茨將這一技術比作兒童的樂高玩具：“你只需要將這些組件設計為互補的，而不再需要浪費時間擺弄堿基對序列以連接組件 ?！?br />