科学家利用DNA折纸术创造动态纳米机器工具箱

凤凰科技讯 北京时间4月3日消息，据科学日报报道，慕尼黑工业大学创造的最新DNA纳米设备，包括一个具有可移动手臂的机器人，一本可以开合的书，一个可由开关控制的装置和一个致动器。这一创造是将DNA作为纳米级别的结构和机器的可编程建造材料的突破性科学进展。这项发表在期刊《科学》上的研究结果展示了一种结合以及重新排列模块化3D建造单元的新方法，后者主要是通过拼接互补形状，而非结合碱基对的链来实现。它不仅开启了建造具有可移动部件的实用纳米机器的新方法，还提供了方便对自我装配进行编程的工具箱。

DNA折纸术

这一领域被称为DNA折纸术(DNA origami)——它借喻了日本传统折纸技术——它正朝实际应用快速发展，慕尼黑工业大学的亨德里克·迪茨(Hendrik Dietz)教授在本月初这样表示。迪茨因在这一进步中所起的作用而被授予德国科研最重要奖项戈特弗里德·威廉·莱布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz)奖。

近些年，迪茨和他的研究小组在实际应用方向取得了重大进展，其中包括实验性设备，例如由DNA制成的合成膜通道；还有一些重大发现，后者将自我装配过程所需时间从一周极大的减少到数小时，并实现产量接近100%；此外他们还证明了极端复杂的结构也可以依照设计精确装配，并达到亚纳米的精确度。

虽然所有的发展都使用了碱基对来确定单个链以及DNA组件是如何结合，但真正的创新在于结合的“胶水”。“一旦你利用碱基对建造了一个单元，” 迪茨解释道，“它就很难分离，因此利用这种方法制造的动态结构往往结构简单。”为了促进产生具有可移动部件的更多DNA纳米机器并潜在的获得更有用的性能，研究小组从自然的生物分子工具箱里借用了两种技术：蛋白质使用形状互补以简化与其他分子对接的方式，以及它们倾向于形成较弱的结合键，这种键可以随时打破。

生物启发的灵活性

在这项研究里，迪茨和研究合作作者作者博士研究生托马斯·格宁（Thomas Gerling）和克劳斯·瓦根鲍尔（Klaus Wagenbauer），以及慕尼黑工业大学慕尼黑工程学院本科生安德里亚·纽内尔（Andrea Neuner）从核酸分子通过比碱基对还要弱的相互作用相结合的机制中得到启发。在自然界，当基于RNA的酶核糖核酸酶P(Ribonuclease P，简写RNase P)“识别”所谓的转运RNA，就会形成弱键；分子被它们互补的形状引导进入足够近的范围，就像太空飞船的对接一样。

迪茨实验室研发的最新技术模仿了这一方式。为了创造动态的DNA纳米机器，研究人员对形状互补的3D建造单元的自我装配进行了编程。这就激活了一种名为碱基堆叠的微弱、短距离的结合机制。三种不同的方法都可以控制这种方式创造的设备的形状和行为。

“这为我们提供了一个根据相互作用强度分层的层级，以及位于稳定区域——也就是我们需要它所处的精确位置——从而识别并与结合部分相互作用的能力。” 迪茨说道。研究小组产生了一系列DNA设备，从或可能预示着科技“鞭毛”的千分尺大小的细丝到具有移动部件的纳米级别的机器——这展示了这一技术的无限可能性，同时测试了它的极限。

例如，三维纳米大小的人形机器人的透射电镜结果证实了零部件可以精确的按照设计拼接在一起。此外，它们还展示了一个简单的控制方法——改变溶液里正离子的浓度——可以在不同配置中积极的相互切换：装配或者拆卸，“机械手臂”张开或者处于休息状态。

实现DNA纳米设备在不同结构状态之间切换的另一种方法——也就是简单的升温或者降温——被证明尤为可靠。对于这一设备的早期版本，实现结构状态间的切换要求分离和重新结合DNA碱基对，因此系统很可能在几次切换后因稀释或者副反应而“疲乏”。而这个设备里的一个类似剪刀的致动器在经历了四天上千次的温度切换循环后仍未表现出任何退化的迹象。

“温度循环是向系统添加能量的方法。” 迪茨补充说道。“所以如果任何可逆的构象转变可以耦合成某种持续进化的过程，那么我们就不仅获得了建造纳米机器的方法，还获得了驱动它们的方法。”

在DNA纳米技术工具箱里添加形状互补的组件以及弱键结合还增加了灵活性。通过碱基对进行自我装配编程就像利用机器语言编写计算机代码。研究人员希望这一最新方式可以实现DNA折纸术更实际的应用，这就类似更高级的计算机编程语言会促进软件工程的发展。

迪茨将这一技术比作儿童的乐高玩具：“你只需要将这些组件设计为互补的，而不再需要浪费时间摆弄碱基对序列以连接组件。”(编译/严炎刘星)

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