研究人員利用DNA結構屬性打造納米尺度模型

利用DNA重現的梵高《星月夜》作品

　　文森特·梵高的《星月夜》是后印象派藝術的經典。自從這位荷蘭藝術家在1889年創作了《星月夜》，畫中那些異想天開的漩渦便令藝術愛好者癡狂。2016年，美國加州理工學院生物工程師Ashwin Gopinath重建了這幅作品。不過，他用DNA而非油墨繪制了畫作的副本。

　　Gopinath的創作繪制在硅片上，展現了材料科學曾經很不起眼的分支——DNA納米技術正在崛起。該領域出現于上世紀90年代。當時，科學家開始設計納米尺度機器。如今，300多個研究小組正試圖利用DNA堿基配對屬性，目的是將分子作為一種建筑材料而非遺傳信息的攜帶者進行處理。

　　“一旦我們開始意識到可以利用DNA中的信息構建物體，一連串的創作活動便由此開啟。”被普遍認為是DNA納米技術開創者的紐約大學合成化學家Ned Seeman表示。

　　構建策略

　　在細胞分裂期間，DNA形成被稱為霍利迪連結體的四鏈中間體。這種結構是不穩定的，并且會迅速瓦解成雙鏈螺旋。上世紀80年代早期，Seeman通過將交叉點處每條鏈的序列相互配對，成功地讓這種結構保持穩定。他繼續創造出擁有6條鏈的交叉點，從而形成了首個3D形式的分支狀DNA結構。一系列愈發復雜的設計隨之而來：1991年是樹枝狀立方體，1998年是分支狀DNA晶體，2005年是DNA管道。

　　2004年，如今在哈佛大學懷斯生物啟發工程研究所任職的生物化學家William Shih采用了一種不同的方法。他僅利用單鏈DNA，便形成了22納米寬的八面體。這條擁有1669個堿基的DNA鏈，利用5條擁有30個堿基的DNA鏈維持形狀。

　　基于這個想法，兩年后，Rothemund利用上百個擁有26～32個堿基的DNA片段，指導7000個堿基對折疊成各種直徑約為100納米的2D形狀。同樣在懷斯研究所任職的DNA科學家Peng Yin表示，這是“一項里程碑式的成就”，因為它極大地增加了DNA納米結構的復雜程度和大小。

　　幾年后，由麻省理工學院生物物理學家Mark Bathe領導的團隊研發出被稱為CanDo的輔助工具，以檢查caDNAno軟件程序構建的DNA折紙藍圖。“它將告訴你繪制的結構在3D形式下看起來是什么樣子的。”Bathe介紹說。此后，他領導的小組又研發出被稱為DAEDALUS的工具。僅通過輸入想要的幾何形狀，它便能告訴用戶所需的全部序列，包括DNA支架。

　　另一種方法是利用DNA“磚塊”。2012年，Shih實驗室的博士后研究人員Yonggang Ke發明了一項技術，其中DNA納米結構的每個“磚塊”擁有32個或42個堿基的獨特序列。每個序列的1/4同另一個“磚塊”上的1/4序列是互補的。通過連接并擴展這些“磚塊”，研究人員能像建造一堵磚墻那樣組裝起一塊畫布。

　　納米制造應用

　　這些新穎的DNA形狀的一個用途是攜帶諸如藥物分子、金屬納米粒子和蛋白質等材料。在DNA被構造成各種形狀前，將這些有用的材料放置在DNA上通常是最容易的。Rothemund 介紹說，“貨物”一般被裝載到鉸鏈DNA上，同時由于每個結構能包括約200個鉸鏈DNA，因此它們提供了充足的機會來精確放置分子“貨物”。

　　DNA分子帶有電荷。這意味著可利用電子束將帶負電荷的結合位點模式刻蝕在平整表面上，從而使納米結構在靜電的作用下得到安排。這正是Rothemund團隊利用密集的光子晶體腔陣列重建《星月夜》時所展示的東西——光可以產生共振的微米大小設備，其含有攜帶染料且被精心放置的DNA納米結構。

　　另一種想法是利用DNA納米結構將納米粒子鑄為模子。這需要擁有內部孔隙的相當大且結實的DNA納米結構。通過和Bathe團隊合作，Yin帶領的小組利用DNA“磚塊”構建了此類結構。隨后，團隊成員將銀納米顆粒種子引入孔隙，并使其在有可溶解銀存在的情況下生長，就像冰糖在過飽和溶液中生長。這些種子不斷生長，填滿孔隙，最終產生立方形、球形、三角形和Y形納米粒子。

　　西北大學化學家Chad Mirkin正在追尋另一種被稱為“可編程的原子當量”的納米策略。這些納米粒子核可以是金屬、聚合物以及蛋白質。上百個部分為雙鏈的DNA分子被附著在粒子核表面上，形成致密的DNA殼。單鏈的自由端同其他“原子當量”的自由端形成互補。當這些結構被混合在一起時，它們銜接起來并擴展成將想要的原子精確地放置在空間中的晶格。“這是一種非常可靠的方法。”Mirkin表示。

　　藥物納米工廠

　　納米結構DNA的一個流行的裝飾品是被稱為熒光分子的發光材料。例如，位于德國布倫瑞克的GATTAquant DNA納米技術公司利用DNA折紙結構和熒光分子制作納米標尺，以驗證超高分辨率顯微鏡。這種顯微鏡使研究人員得以突破光的衍射設置的分辨率限制來拍攝圖像。不過，GATTAquant公司研發負責人Max Scheible表示，目前并未有衡量該系統分辨率的標準。“DNA納米技術使這一切成為可能。”

　　GATTAquant使處于精確距離內的熒光分子附著在納米結構上，并將它們安裝到玻璃載片上。這些納米尺度的標尺使研究人員得以驗證小于光波繞射極限的顯微鏡的分辨率。

　　位于馬薩諸塞州劍橋市的初創公司——Ultivue的共同創始人希望利用納米結構影響癌癥研究。在癌癥組織中，諸如BRCA1、HER2蛋白等生物標記可預示疾病的發作或惡化，并且能潛在地輔助診斷、預后和治療。

　　在Ultivue總部，Manesse展示了該公司的技術。電腦顯示器上被點亮的是Manesse放置在顯微鏡下的肺部組織薄切片的細胞。當他將顯微鏡的光調成紅色時，細胞消失。出現在其位置上的是少數亮點，指示被稱為T細胞的免疫細胞的生物標記——CD3。這些蛋白被Ultivue公司基于DNA的顯像探針標記：一個短短的“鉚釘”鏈被附著在抗體上，其互補的“成像”鏈則攜帶著熒光染料。每個感興趣的生物標記都擁有自己的“鉚釘”鏈，互補的“成像”鏈則可以每次一個被添加進來、進行成像和移除。隨后，圖像被疊加，從而獲得肺部組織的合成圖像。Manesse表示，這使得被研究的生物標記數量幾乎不受數量限制，而組織樣品仍能被保存下來。

　　DNA納米結構還可被用于建造治療或診斷用傳感器、藥物和疫苗。例如，研究人員將抗原鏈霉親和素以及寡核苷酸同四面體DNA納米結構上促進免疫反應的胞嘧啶—鳥嘌呤基序固定在一起，制造出合成疫苗。在小鼠研究中，和僅是鏈霉親和素與寡核苷酸的混合物相比,這種疫苗產生了針對鏈霉親和素的較高水平的抗體。

　　最終，Shih希望制造出藥物納米工廠：可在身體內利用細胞構建模塊按需生產藥物的DNA折紙納米膠囊。“目前，這還處于探索性研究階段。”Shih表示。理論上，納米膠囊可盛放制造RNA的聚合酶以及DNA模板。一旦被觸發，它將開始生產并釋放載荷，就像利用細胞材料進行自我復制的病毒一樣。