DNA首次自组装成一粒灰尘大小的大晶体

shaoziyang

DNA可作为一种编程材料平台，人们希望它能为计算机、显微术、生物学等众多领域带来全新的革命性纳米设备。但要想实现这些技术梦，必须让DNA分子能按 照设计的形状和大小，自动而精确地组装在一起。过去20年来，科学家一直在寻找方法，让人们能按要求设计复杂形状的DNA大晶体。



哈佛大学韦斯仿生工程研究所（Wyss Institute at Harvard）一个科研小组最近用一种“DNA砖块自组装”方法，制作出含32个DNA的大晶体，具有严格规定的厚度和复杂的三维特征。相关论文发表在《自然-化学》杂志上。

研究小组的方法在2012年的《科学》（Science）杂志上首次公布，当时他们用这种方法制作了100多个病毒大小的三维纳米结构。新的大晶体比原来那些要大1000倍，接近一粒灰尘大小，这在DNA纳米技术领域是相当大的。

科学家一直在寻找更传统的自组装方法来形成复杂的三维DNA纳米结晶，但组装单位越大越复杂，产生误差的风险也就越大。“我们很高兴DNA砖块攻克了这一难题。”论文高级作者、哈佛医学院系统生物学副教授尹鹏（Peng Yin，音译）说，“它们组装的方式让我们也很惊讶。”

“DNA砖块”是较短的DNA合成链，就像一个个能互相扣在一起的“垒高”积木，可以拼出复杂的结构。研究人员在计算机上用一种分子立方体的模型设计了最初的模型（分子立方体构成原料块主体，可以增加或去除以形成想要的形状），然后开始设计：把所需的能匹配的DNA链混合在一起，让它们自行组装以得到设计的晶体结构。

“这一过程靠的是设计策略的关键特征——模块化，这样从主体料块上增加或除掉某些部分就简化了，让设计制作更容易。”共同第一作者、前韦斯研究所博士后柯永刚（Yonggang Ke，音译）说，“这还是首次让任何人都能用这种方法来合理设计晶体厚度，精确到纳米，本研究中是80纳米。”以往的二维DNA格是单层结构，只有2纳米厚。

“DNA晶体对纳米技术应用很有吸引力，因为它们由相同的结构单位重复组装而成，为升级设计提供了理想的模板。”论文共同第一作者、研究生 Luvena L. Ong 说。

此外，研究小组还演示了把黄金纳米粒子放入二维结构的能力，纳米粒子间距小于2纳米。这是未来量子设备的关键特征，对可升级产品来说是一次巨大的技术进步。

论文合著者、韦斯研究所核心系成员 William Shih 说，我们在DNA纳米技术中的进步让自组装成为可能，并以一种可编程的方式造出指定的结构，其复杂性甚至能和自然界的许多分子机器相媲美。