四種DNA自組裝和設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)的尺寸和生產(chǎn)的論文方法解讀

科學(xué)家一直渴望利用自組裝來構(gòu)建人造物體，以達(dá)到細(xì)胞或細(xì)胞器的尺寸和復(fù)雜性，以便為研究，工程和醫(yī)學(xué)應(yīng)用構(gòu)建合成的細(xì)胞機(jī)器。

iNature：自組裝過程以各種形式存在于自然界中，從分子水平的蛋白質(zhì)折疊和形成脂雙層到建立地球的整個生物系統(tǒng)。 科學(xué)家一直渴望利用自組裝來構(gòu)建人造物體，以達(dá)到細(xì)胞或細(xì)胞器的尺寸和復(fù)雜性，以便為研究，工程和醫(yī)學(xué)應(yīng)用構(gòu)建合成的細(xì)胞機(jī)器。 在這個問題上，Nature的四篇論文通過報(bào)告擴(kuò)大DNA自組裝和設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)的尺寸和生產(chǎn)的方法來解決這個目標(biāo)。

生物聚合物如DNA，RNA和蛋白質(zhì)都被用作構(gòu)建納米尺度結(jié)構(gòu)的基石，調(diào)節(jié)生物體的功能。 DNA是最有用的納米級構(gòu)建模塊，因?yàn)樗哂袔讉€優(yōu)點(diǎn) - 特別是其可編程性，其來源于在互補(bǔ)DNA鏈的堿基之間形成的可預(yù)測和穩(wěn)定的配對結(jié)構(gòu)。 此外，DNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，雙螺旋的幾何特征得到了很好的研究，并且與其他生物分子相容，這就允許構(gòu)建功能復(fù)雜的“異質(zhì)生物材料”。 已經(jīng)開發(fā)了各種DNA自組裝方法，用于構(gòu)建展現(xiàn)出大的幾何復(fù)雜性和納米級精度的合成結(jié)構(gòu)。

Fractal assembly of micrometre-scale DNA

DNA納米技術(shù)的里程碑之一就是DNA納米孔材料的發(fā)明。 在這種技術(shù)中，長的單鏈DNA在數(shù)百個稱為“釘書針”的短DNA鏈的幫助下被折疊成目標(biāo)形狀。 短鏈被設(shè)計(jì)成與長DNA的特定區(qū)域互補(bǔ)，從而引導(dǎo)折疊過程。 已經(jīng)使用這種技術(shù)制造了各種2D和3D納米物體。 其中許多是完全可定位的; 也就是說，他們可以在選定的位置進(jìn)行修改，以滿足未來應(yīng)用的需要。 然而，單個DNA折紙納米結(jié)構(gòu)的尺寸受限于它們所構(gòu)建的支架DNA的長度。 例如，一種廣泛使用的支架是長約7200個核苷酸的基因組DNA，可折疊成直徑不超過100納米的折紙結(jié)構(gòu)。

DNA納米技術(shù)的另一個重要設(shè)計(jì)策略是單鏈瓦（SST）組裝，其中SSTs-由單鏈DNA形成的納米級二維矩形或三維磚通過形成DNA雙鏈而彼此互鎖 在他們的界面。 SST的集合被用來形成2D圖紙或3D圖塊，通過簡單地包含或省略特定的SST，可以選擇性地“雕刻”以創(chuàng)建不同的圖案和形狀。 但是用這種方法產(chǎn)生的DNA結(jié)構(gòu)的大小通常與折紙納米結(jié)構(gòu)的大小相當(dāng); 較大的結(jié)構(gòu)已經(jīng)準(zhǔn)備好，但合成效率很低。 在這個問題上報(bào)道的論文基于SST和折紙策略來制造微米尺寸的結(jié)構(gòu)，并擴(kuò)大可生產(chǎn)的數(shù)量。

Gigadalton-scale shape-programmable

Tikhomirov等人使用以表面圖案（由折紙表面延伸的DNA鏈形成）構(gòu)成的方形DNA折紙作為構(gòu)建單位，以創(chuàng)建直徑約半微米的二維DNA折紙陣列（圖1a）。 方形折紙通過在它們的界面處形成短DNA雙鏈體而連接在一起。 為了對方形折紙之間的相互作用進(jìn)行編程，作者開發(fā)了一種分形方法，其中局部裝配規(guī)則被遞歸地用于組裝越來越多的方形折紙陣列的多步驟過程。 Tikhomirov及其同事還制作了名為FracTile Compiler的設(shè)計(jì)軟件，這將能夠設(shè)計(jì)出DNA序列和實(shí)驗(yàn)程序來制作大型DNA模式。 作者通過使用它制作了幾張DNA“圖片”，包括蒙娜麗莎，一只公雞和一個國際象棋游戲模式，驗(yàn)證了這一自動設(shè)計(jì)過程。

圖.1 制造微米級DNA物體的方法

Wagenbauer等使用另一種分層自組裝方法（圖1b），制作了尺寸達(dá)微米級的3D DNA折紙結(jié)構(gòu)。 他們用一個V形的DNA折紙物體作為基本的構(gòu)件，其中V的角度可以改變。 通過控制構(gòu)件之間的幾何關(guān)系和相互作用，可以構(gòu)建高階組件。 作者通過構(gòu)建直徑達(dá)350nm的堆疊平面環(huán)和直徑達(dá)450nm的三種多面體構(gòu)建微米級長管（類似于一些細(xì)菌的尺寸）證明了其方法的能力。

Ong等報(bào)道了一種方法，可以在微米級進(jìn)行3D SST DNA構(gòu)建（圖1c）。 通過擴(kuò)展第一代SST系統(tǒng)的原理，作者設(shè)計(jì)了由52個核苷酸組成的磚狀DNA構(gòu)建模塊，其中含有4個13個核苷酸的結(jié)合結(jié)構(gòu)域。 這些領(lǐng)域使磚塊能夠組裝成更大的結(jié)構(gòu)。 與第一代磚塊（含有四個結(jié)合域，每個由八個核苷酸組成）相比，DNA磚塊的較長結(jié)合域?yàn)檩^大的組裝結(jié)構(gòu)提供更好的產(chǎn)量和穩(wěn)定性。 作者開發(fā)了稱為Nanobricks的軟件來設(shè)計(jì)制作目標(biāo)3D對象所需的磚鏈，并用它來規(guī)劃一組不同復(fù)雜體系結(jié)構(gòu)的綜合。

Programmable self-assembly of three-dimensional nanostructures

Praetorius等人報(bào)道的生物技術(shù)將大大降低通常用于制造DNA折紙的數(shù)百個主鏈的成本。 他們使用被稱為噬菌體的病毒來產(chǎn)生含有數(shù)百個短鏈序列的單鏈前體DNA。 這些序列被切割自身的“DNAzyme”序列分開; 裂解產(chǎn)物然后自組裝成指定的DNA折紙形狀。 值得注意的是，作者的方法將折疊的DNA折紙結(jié)構(gòu)的成本從約每毫克200美元降低到約20美分。 這一戰(zhàn)略將實(shí)現(xiàn)DNA折紙和SST結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展和高效的大規(guī)模生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，如治療，藥物輸送系統(tǒng)和納米電子設(shè)備。

Biotechnological mass production

這些論文還為生物分子工程領(lǐng)域的長期挑戰(zhàn)提供了解決方案，提供了從較小的構(gòu)建塊制造自組裝結(jié)構(gòu)的低成本方法，其尺寸可以使用互補(bǔ)的“自頂向下”技術(shù) （那些用散裝材料雕刻結(jié)構(gòu)的）。 此外，所報(bào)道的DNA結(jié)構(gòu)足夠大以使得能夠與細(xì)胞相互作用用于治療應(yīng)用的裝置的生產(chǎn)，或制造用于制造合成聚合物或程序細(xì)胞 - 細(xì)胞相互作用的復(fù)雜分子機(jī)器和裝配線。 這樣的自組裝結(jié)構(gòu)甚至可以用于合成細(xì)胞器以監(jiān)測和調(diào)節(jié)活細(xì)胞中生物過程的系統(tǒng)。