面向未來(lái)的DNA納米建筑學(xué)

　　在細(xì)胞中，DNA的主要任務(wù)是把信息從一代傳遞到下一代。但科學(xué)家們也看到，利用它們的自行組裝能力，可以用DNA單元來(lái)設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)和其他大分子。加上其特有的高穩(wěn)定性和靈活性，DNA正在成為納米結(jié)構(gòu)的理想建材，這種稱為納米建筑學(xué)的方法正在發(fā)展成一種多樣化的工具，用于藥物遞送、生物傳感器、人造光合電池等許多領(lǐng)域。

　　DNA折疊技術(shù)

　　5年前，加州理工學(xué)院計(jì)算生物工程師鮑爾·羅斯蒙德推出了一種全新的設(shè)計(jì)策略，稱為DNA折疊術(shù)，把長(zhǎng)的DNA鏈在二維平面上折疊，再以較短的鏈“釘”固定，構(gòu)成各種各樣的“建筑物”。幾年后，哈佛醫(yī)學(xué)院威廉姆·施的實(shí)驗(yàn)室將這一概念變成了三維，設(shè)計(jì)出更復(fù)雜的曲線和彎曲結(jié)構(gòu)，為納米水平的合成生物設(shè)計(jì)開辟了新道路。

　　DNA由A腺嘌呤T胸腺嘧啶G鳥嘌呤和C胞嘧啶4種核苷酸組成，根據(jù)基因規(guī)則，一條鏈上的A只能與另一條鏈上的T結(jié)合，同樣C只能與G結(jié)合。按照這種配對(duì)規(guī)則，兩條天然的DNA鏈就能找到彼此的伴侶。但在實(shí)驗(yàn)室里搭建納米建筑，生物重要性的基本規(guī)則被去除。研究人員能讓DNA雙螺旋序列，形成一種想要的結(jié)構(gòu)。

　　麻省理工大學(xué)生物工程師、應(yīng)用生物副教授馬克·貝瑟曾用一種病毒的基因組搭建了大約8000個(gè)核苷酸，生成了二維的星星、三角和笑臉圖案。他說(shuō)：“使用DNA，你能在最小的尺度對(duì)自行組裝的序列進(jìn)行設(shè)計(jì)，再把它們折疊成某種特殊結(jié)構(gòu)，把不同的DNA連在一起，造出大一些的物體。DNA在許多方面比蛋白質(zhì)更適合自行組裝，蛋白質(zhì)的物理性質(zhì)不利于控制，對(duì)環(huán)境也過(guò)于敏感。”

　　設(shè)計(jì)過(guò)程自動(dòng)化

　　既往的人造DNA大分子結(jié)構(gòu)，大多是受靈感啟發(fā)的創(chuàng)舉。隨著納米建筑變得越來(lái)越復(fù)雜，一個(gè)主要障礙逐漸暴露出來(lái)，即設(shè)計(jì)過(guò)程自動(dòng)化。

　　“簡(jiǎn)單地調(diào)用DNA基本片斷來(lái)構(gòu)建想要的任何形狀，讓非專家也能使用DNA折疊術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)自己想要的三維納米結(jié)構(gòu)，才能打開無(wú)限想象?！必惿f(shuō)，“我們?cè)陂_發(fā)一種設(shè)計(jì)工具，從一個(gè)復(fù)雜的三維形狀的畫面開始，按照運(yùn)算法則尋找一個(gè)最佳的序列產(chǎn)品。為了讓更多人都能使用這種納米組裝技術(shù)，包括沒(méi)有DNA折疊技術(shù)知識(shí)的生物學(xué)家、化學(xué)家、材料科學(xué)家，需要計(jì)算工具的完全自動(dòng)化，只需很少的人工輸入或人為操作。”

　　目前，貝瑟領(lǐng)導(dǎo)的研究小組和德國(guó)慕尼黑理工大學(xué)同行合作，已經(jīng)開發(fā)出這種軟件，能根據(jù)給定的DNA模板預(yù)測(cè)它的三維形狀。盡管軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程還沒(méi)實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，但使用者已經(jīng)能很容易地生成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，控制它們的靈活性、折疊的穩(wěn)定性等。近日出版的《自然·方法學(xué)》詳細(xì)介紹了這一軟件。

　　這是一種處理DNA折疊及組合構(gòu)型的初級(jí)技術(shù)軟件?！按罱―NA的瓶頸是把這種技術(shù)推廣使用，而現(xiàn)在只有受過(guò)專門培訓(xùn)的研究人員，才能用基本的DNA建材進(jìn)行折疊設(shè)計(jì)?！必惿f(shuō)。

　　他們的新軟件程序和哈佛醫(yī)學(xué)院威廉姆·施實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的caDNAno軟件兼容，caDNAno能讓用戶從二維開始，手動(dòng)操作將DNA折疊成基本的構(gòu)架。而新程序名為CanDo，利用了caDNAno的二維藍(lán)圖，靈活地旋轉(zhuǎn)、彎曲、拉伸DNA，折疊成復(fù)雜的三維形狀，并能預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的最終形狀，讓最終的DNA建筑形狀不再取決于直覺(jué)和偶然的靈感。

　　在分子水平，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的壓力降低了折疊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還會(huì)帶來(lái)局部缺陷，妨礙折疊組裝的進(jìn)一步拓展。羅斯蒙德說(shuō)：“過(guò)去我們沒(méi)有合適的設(shè)計(jì)工具，很難分析各種構(gòu)型中的壓力和拉力，也很難為某種特殊目的而設(shè)計(jì)?！边@種CanDo程序能讓設(shè)計(jì)者更全面地測(cè)試DNA結(jié)構(gòu)，恰當(dāng)?shù)卣郫B它們。貝瑟實(shí)驗(yàn)室目前仍在開發(fā)CanDo的功能，改進(jìn)用DNA基礎(chǔ)構(gòu)架進(jìn)行折疊的設(shè)計(jì)程序。

　　開發(fā)納米機(jī)器

　　不久前，德國(guó)法蘭克福大學(xué)的亞歷山大·?？藸柦淌诤退牟┦可┟芴刂谱髁艘粚?duì)僅18納米大小、互相連在一起的DNA環(huán)。施密特在制作這對(duì)連環(huán)扣期間結(jié)婚了，妻子也是研究小組成員，他們于是將這一成果稱作是“世界上最小的婚戒”。

　　雖然連環(huán)扣比可見波長(zhǎng)還要小，用普通顯微鏡也看不到，只能憑借掃描原子力顯微鏡才能顯示出來(lái)，但站在科學(xué)的角度，卻在DNA納米技術(shù)領(lǐng)域具有里程碑的意義。以往的DNA納米建筑主流，只形成固定不變的形狀，而連環(huán)扣卻能根據(jù)環(huán)境條件自由地轉(zhuǎn)動(dòng)，有望成為未來(lái)分子機(jī)器或分子馬達(dá)的組成部件。

　　有了可靠的方法來(lái)搭建DNA建筑，它卻不僅局限于靜態(tài)結(jié)構(gòu)，下一步就是能自動(dòng)運(yùn)行的納米機(jī)器?！癉NA運(yùn)輸車”就是一種，精心設(shè)計(jì)的DNA運(yùn)輸車會(huì)根據(jù)目標(biāo)癌細(xì)胞發(fā)出的特殊化學(xué)信號(hào)，將攜帶的藥物送到身體的某個(gè)特殊部位，釋放出藥物而殺死癌細(xì)胞。

　　“DNA折疊術(shù)能在納米水平構(gòu)建非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)。我們正在拓展這種獨(dú)特的性質(zhì)，用于更多方面，包括人造光電池?！必惿f(shuō)，比如復(fù)制植物光合作用細(xì)胞中的光捕獲器官，這是一種包含20個(gè)蛋白質(zhì)分子單元的復(fù)雜序列。要“人造”出這種“機(jī)器”來(lái)，必須把各組成部分按照特定的位置和方向結(jié)合在一起，這正是DNA折疊技術(shù)要做到的。

　　“盡管這種應(yīng)用目前還較為遙遠(yuǎn)，但我們相信在不久的將來(lái)，這個(gè)方向上的預(yù)測(cè)工程軟件是必不可少的?！必惿赋觯鸫髮W(xué)也開發(fā)出了名為BIOMOD的軟件，包括麻省理工大學(xué)、哈佛大學(xué)和加州理工在內(nèi)的十幾個(gè)研究小組，都在設(shè)計(jì)納米水平的生物分子，用于機(jī)器人、計(jì)算或其他領(lǐng)域。

來(lái)源：藥品資訊網(wǎng)信息中心

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