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在人们的印象中，DNA一直是双螺旋的样子。9月7日，中美科学家共同开发出“巨型DNA”，并将其钉在一起，构建出更大更复杂的结构，如四面体、六面体、棱柱体等。DNA可以随意改变结构，主要依靠DNA折纸技术。加州理工学院的保罗·罗斯蒙德甚至用DNA在硅片上画出了名画“Star 空”。
科学家研究DNA折纸技术不是为了“艺术创作”。他们的目的是利用DNA的碱基配对特性作为原材料来构建纳米模型，而不是作为遗传信息的载体。未来，DNA折纸技术可用于制造纳米机器人、合成疫苗、DNA“硬盘”和纳米胶囊药物…
从2D到3D
DNA“折叠”成各种形状。
“DNA折纸技术就是用一段段DNA做‘纸’，通过设计和堆叠，构建出你想要的东西。”天津化工学院教授、博士生导师齐昊说，一条长而紧密盘绕的DNA链像长丝带一样反复折叠成“纸”，而许多短的单链DNA的功能就像“钉书钉”，可以固定长链DNA的具体位置，从而在2D或3D 空中堆叠复杂的结构。
DNA之所以能按要求折叠粘贴，也是由于其独特的双螺旋结构:两条平行相对的单链按照碱基互补的精密原理连接在一起，就像一把带锁的钥匙，具有唯一性和高度特异性。“这些碱基的化学组成使得具有设计碱基序列的两条DNA单链能够在浩瀚的链海中找到彼此，紧密结合，最终形成研究人员想要的形状。”齐昊说。
“制作DNA折纸，首先需要通过程序化软件设计序列，然后将模板链和辅助折叠链按一定比例混合进行退火杂交，对得到的组装结构进行后续的功能修饰和最终纯化。”齐昊解释说，“模板链是作为支架的长DNA链，辅助折叠链是‘订书钉’。将DNA与‘钉书钉’混合，加热到一定温度，冷却到室温。这些链会根据预先设计的顺序自发形成所需的形状。因为每条DNA链互不相同，所以整个DNA折纸结构是完全可寻址的，该结构可以在任何指定的地方进行功能化。”
从2D笑脸到3D几何物体和字母积木，折纸技术越来越高。“就目前DNA折纸的发展水平而言，任何理论上可以设计的二维或三维结构，都可以通过DNA折纸技术实现。”齐昊说。
“2006年，在罗斯蒙德提出DNA折纸技术后，他的实验室开发了一个名为caDNAno的软件程序，通过该程序可以手工构建支架DNA折纸的二维图纸。”齐昊介绍，后来升级的名为CanDo的新软件程序不仅包含了caDNAno的二维设计性能，还可以用来预测最终可以设计出的三维结构。
随着DNA折纸技术的发展，亚利桑那大学生物与化学研究所的Yim Ho研究小组和哈佛大学的尹鹏研究小组开发出了更复杂的DNA折纸技术，可以将单链DNA折叠回来，形成二维或三维纳米结构，并成功创造出更复杂的形状。“改进后的技术还大大提高了折纸的稳定性，使利用DNA折纸技术形成任意形状成为可能。”齐昊告诉记者。
药物输送、信息存储
折叠的DNA“能力”爆炸了。
纳米机器人是DNA折纸技术最大的应用领域之一。目前，纳米机器人在药物输送和疾病治疗方面显示出巨大的潜力。“DNA折叠成各种形状的结构后，它的用途之一是携带药物分子、金属纳米颗粒和蛋白质等物质。”齐昊介绍说，一般的分子都是由“钉子”携带的，因为每个DNA纳米结构包括大约200个钉子，可以准确地携带“货物”。
“目前，研究人员已经生产出这种纳米机器人，它可以沿着设计好的路径携带药物，准确到达病变部位，准确输送药物。”例如，齐昊介绍了由Yim Ho团队和中国国家纳米科学中心的研究人员在2018年联合开发的DNA纳米机器人传输系统。纳米机器人携带凝血酶，可以导致血栓形成，杀死肿瘤。通过识别肿瘤微环境信号，可以将药物准确地输送到肿瘤附近的血管。然后利用核仁素、定向序列和“拉链”序列等成分，打开纳米机器人，使药物精确释放，在肿瘤附近形成血栓，阻断肿瘤供血，从而实现“饿死”肿瘤的目的。
“除了纳米机器人，DNA折纸技术还可以用于构建传感器、药物和疫苗，用于医疗领域的治疗或诊断。”以齐昊为例，研究人员将链霉亲和素和寡核苷酸抗原携带在四面体DNA纳米结构上，形成一种合成疫苗。在小鼠研究中，与链霉亲和素和寡核苷酸的混合物相比，疫苗可以使小鼠产生更多的抗体，增强免疫反应。
“通过DNA折纸结构，你甚至可以制作药物纳米片。根据需要，可以在细胞中产生药物的DNA折纸纳米胶囊。”齐昊解释说，理论上，纳米胶囊应该含有RNA聚合酶——一种可以产生RNA和DNA模板的酶。一旦被激活，纳米胶囊将开始制造和释放有效载荷，就像病毒利用细胞内物质复制自己一样。
DNA折纸也被用于干细胞研究。在过去，用于干细胞研究的药物或材料面临着许多问题，如生物相容性差，生物利用度低。DNA折纸形成的DNA四面体纳米结构具有许多优点，如促进干细胞自我更新、促进干细胞迁移、促进干细胞向特定方向分化等。
在医疗领域之外，DNA折纸技术也促进了信息存储和加密领域。“如果用DNA做硬盘，其信息存储效率比硬盘高500万倍，节省空时间，更稳定。”齐昊介绍，DNA折纸技术整合的DNA图案还可以包含空之间的位置排列、整合单元数量等信息，可以大大提高DNA的信息承载能力。
效率低，成本高
改进折纸依赖于RNA。
虽然DNA纳米技术已经问世20多年了，但仍然面临着诸多挑战。“DNA折纸可以对人类健康产生巨大影响，但产出比是关键问题。现在产出率不到克级。”齐昊说，以目前的技术，还不可能实现大规模生产。低效率伴随着高成本。目前DNA折纸的成本很高，在实验室里“折”一个小小的图形要几千甚至上万元人民币。
另一个问题是，能附着在DNA上的材料种类非常少。研究人员正试图扩大可用于折纸设计的材料范围。例如，尝试使用蛋白质作为“钉书针”来组装DNA，或者更新caDNAno设计软件程序，以包括RNA和蛋白质结构单元的使用。
“目前，最大的限制是对自组装过程的控制不足。随着DNA折纸结构越来越大，假折叠的几率也会增加。目前，研究人员正在寻找抑制自组装错误的新策略。”齐昊介绍说，罗斯蒙德提出的一种可能性是放弃传统方法，使用细胞进行合成。对于更复杂的折纸纳米结构，可能必须使用RNA。与DNA不同，单链RNA可以在没有“钉书钉”的情况下保持形状。但是目前RNA纳米材料领域几乎还是一片处女地，要学的东西还有很多。
本文来自:科技日报
