近日，麻省理工學院（MIT）的生物工程師們(men) 開發出了一種新的計算機模型，該模型使他們(men) 能夠設計出有史以來最為(wei) 複雜的三維DNA形狀，包括戒指、碗，以及二十麵體(ti) 的幾何形狀。

        這種技術能夠讓研究人員根據需要製造出DNA支架來固定被稱為(wei) 載色體(ti) 的蛋白質和感光分子陣列，該載色體(ti) 主要用來模仿植物細胞中的光合作用蛋白；或創建新的藥物運載工具，以及RNA療法等，MIT生物工程助理教授Mark Bathe說。

        “總的想法是使用DNA在納米尺度上立體(ti) 地組織蛋白、載色體(ti) 、RNA和納米顆粒。將精確的納米級控製用於(yu) 3D結構正是這種方法獨一無二的核心所在。”Bathe說。他是12月3日在《Nature Communications》上發表的關(guan) 於(yu) 這一技術論文的高級作者。

      該論文的第一作者是博士後Keyao Pan和前MIT博士後Do-Nyun Kim。Kim如今是韓國首爾國立大學的教師。論文的其他作者還有MIT研究生Matthew Adendorff和亞(ya) 利桑那州立大學的Hao Yan教授和研究生Fei Zhang。

        設計DNA的3D結構

        由於(yu) DNA十分穩定，並且可以很容易地通過改變其序列進行編程，許多科學家認為(wei) 這是納米級結構的一種理想的建築材料。大約在2005年，科學家們(men) 開始使用一種被稱為(wei) DNA折紙（DNA origami）技術的方法，用DNA製造一些微小的二維結構。所謂“DNA折紙技術”就是將天然DNA單鏈中的長鏈進行反複折疊，並用短鏈加以固定，由此就能繪出方形、星形等一係列DNA圖形。這種做法後來被擴展到三維空間。

        不過設計這些DNA形狀十分繁瑣和耗時，並且合成和用實驗驗證它們(men) 也相當昂貴、緩慢。因此，研究人員，包括Bathe在內(nei) ，都需要開發計算機模型以輔助設計。2011年，Bathe和同事們(men) 就弄出了一個(ge) 名為(wei) CANDO程序，可以生成3D結構的DNA，但它隻能生成有限類型的形狀。

        在最新的論文中，Bathe和同事們(men) 開發的新的計算機算法，可以通過對DNA支架（DNA scaffold）和短鏈進行排序，預測任意編程的DNA組件的3D結構。通過該模型，他們(men) 能夠創建出比以前更加複雜的結構。

        新方法依賴於(yu) 將DNA序列切開分離，形成一種子部件——多路連接（multi-way junctions），這是構建可編程的DNA納米結構最基本的構建模塊。這些連接與(yu) 那些在DNA複製過程中自然形成的連接類似。

        在把DNA切成這些更小的多路連接之後，Bathe的程序隨後通過計算將它們(men) 重新組合成較大的編程組件，如戒指、光盤、球形的容器，當然，這些東(dong) 西都是納米級的。通過對這些DNA組件的序列進行編程，設計師們(men) 可以很容易地創建出任意複雜的結構，包括對稱籠如四麵體(ti) 、八麵體(ti) 、十二麵體(ti) 等。

        “最重要的是我們(men) 認識到了可以切斷這些DNA連接，然後根據計算機預測的3D結構重新組裝它們(men) 。”Bathe說。“通過計算機預測其3-D結構是這中間的重中之重，隻有這樣我們(men) 才能實現不同的功能應用，因為(wei) 生成3D結構的目的是為(wei) 了實現功能，而不是單純的DNA排序。”

        新的程序使得研究人員能夠設計出比CANDO程序更多的3D結構，加州理工學院的資深研究員Paul Rothemund說。他並不是該研究團隊的成員。

        “由於(yu) DNA納米技術領域內(nei) 目前使用的分子大部分無法使用CANDO程序生成，因此Bathe他們(men) 的這一成果將非常受歡迎。”Rothemund說。

        研究人員計劃在未來數個(ge) 月內(nei) 公開發布自己的算法，使其他DNA設計師也可以從(cong) 中受益。在該模型的當前版本中，設計者必須自己指定DNA序列，Bahte希望盡快開發一個(ge) 新版本，在這個(ge) 版本中設計人員隻需簡單地給出特定形狀，計算機就能自動生成DNA序列。 這將使納米尺度的3D打印更為(wei) 可靠，這裏的3D打印“墨水”就是是人工合成的DNA。

        3D打印DNA結構的應用：分子支架及納米級模具

        一旦研究人員能夠使用DNA 3D打印納米尺度的任意幾何形狀，他們(men) 就能將其與(yu) 其他種類的分子結合並將產(chan) 生許多不同的應用。“這些DNA對象是被動的結構支架。”Bathe說，“它們(men) 的功能來自與(yu) 之相連接的其它分子。”

        Bathe正在進行研究的一類分子是捕光分子，又被稱為(wei) 載色體(ti) （chromophores），這是光合作用的重要組成部分。在活細胞中，這些分子分布在蛋白質骨架上，但蛋白質較難製造成納米級組件，所以Bathe的研究小組正在試圖用DNA來模仿蛋白質的支架結構。

        另一種可能的應用是設計某些特殊的支架，使得研究人員可以用來模仿由多個(ge) 蛋白質亞(ya) 基組成的細菌毒素組件。例如，誌賀菌（Shiga）毒素是由5個(ge) 蛋白亞(ya) 基按照一種特定的五聚體(ti) 結構形成的，這種結構使得它能夠偷偷進入細胞。如果研究人員能夠複製出這樣的結構，他們(men) 就可以製造出被去掉毒性的誌賀菌，然後用它作為(wei) 載體(ti) 向細胞內(nei) 運送藥物或信使RNA。

        “這種亞(ya) 基是進入細胞非常有效的方式，而且在某種程度上，不會(hui) 引起排異反應，或者導致其被細胞的機製降解。”Bathe說。“使用DNA，我們(men) 可以建立一種支架，並將其作為(wei) 運輸工具，來輸送其他東(dong) 西，比如小分子RNA、mRNA、癌症藥物和其他藥物。”

        此外，研究人員還使用的DNA的納米結構作為(wei) 模具來生成金或其他金屬的細小顆粒。在最近發表的科學論文中，Bathe及其在哈佛大學Wyss生物工程研究所的同事們(men) 已經證明，用DNA製成的模具可以將黃金和白銀鑄造成立方體(ti) 、球體(ti) 和更複雜的結構，如Y形的顆粒等。這種方法利用了DNA的光學性能進行編程，可通過計算機模型來預測。這種方法提供了一種“按需製造”納米粒子的設計與(yu) 合成工藝，在納米科學和技術領域有著廣泛的應用前景。