近日，麻省理工学院（MIT）的生物工程师们开发出了一种新的计算机模型，该模型使他们能够设计出有史以来最为复杂的三维DNA形状，包括戒指、碗，以及二十面体的几何形状。
这种技术能够让研究人员根据需要制造出DNA支架来固定被称为载色体的蛋白质和感光分子阵列，该载色体主要用来模仿植物细胞中的光合作用蛋白；或创建新的药物运载工具，以及RNA疗法等，MIT生物工程助理教授Mark Bathe说。
“总的想法是使用DNA在纳米尺度上立体地组织蛋白、载色体、RNA和纳米颗粒。将精确的纳米级控制用于3D结构正是这种方法独一无二的核心所在。”Bathe说。他是12月3日在《Nature Communications》上发表的关于这一技术论文的高级作者。
该论文的第一作者是博士后Keyao Pan和前MIT博士后Do-Nyun Kim。Kim如今是韩国首尔国立大学的教师。论文的其他作者还有MIT研究生Matthew Adendorff和亚利桑那州立大学的Hao Yan教授和研究生Fei Zhang。
设计DNA的3D结构
由于DNA十分稳定，并且可以很容易地通过改变其序列进行编程，许多科学家认为这是纳米级结构的一种理想的建筑材料。大约在2005年，科学家们开始使用一种被称为DNA折纸（DNA origami）技术的方法，用DNA制造一些微小的二维结构。所谓“DNA折纸技术”就是将天然DNA单链中的长链进行反复折叠，并用短链加以固定，由此就能绘出方形、星形等一系列DNA图形。这种做法后来被扩展到三维空间。
构设计这些DNA形状十分繁琐和耗时，并且合成和用实验验证它们也相当昂贵、缓慢。因此，研究人员，包括Bathe在内，都需要开发计算机模型以辅助设计。2011年，Bathe和同事们就弄出了一个名为CANDO程序，可以生成3D结构的DNA，但它只能生成有限类型的形状。
在最新的论文中，Bathe和同事们开发的新的计算机算法，可以通过对DNA支架（DNA scaffold）和短链进行排序，预测任意编程的DNA组件的3D结构。通过该模型，他们能够创建出比以前更加复杂的结构。
新方法依赖于将DNA序列切开分离，形成一种子部件——多路连接（multi-way junctions），这是构建可编程的DNA纳米结构最基本的构建模块。这些连接与那些在DNA复制过程中自然形成的连接类似。
在把DNA切成这些更小的多路连接之后，Bathe的程序随后通过计算将它们重新组合成较大的编程组件，如戒指、光盘、球形的容器，当然，这些东西都是纳米级的。通过对这些DNA组件的序列进行编程，设计师们可以很容易地创建出任意复杂的结构，包括对称笼如四面体、八面体、十二面体等。
“最重要的是我们认识到了可以切断这些DNA连接，然后根据计算机预测的3D结构重新组装它们。”Bathe说。“通过计算机预测其3-D结构是这中间的重中之重，只有这样我们才能实现不同的功能应用，因为生成3D结构的目的是为了实现功能，而不是单纯的DNA排序。”
新的程序使得研究人员能够设计出比CANDO程序更多的3D结构，加州理工学院的资深研究员Paul Rothemund说。他并不是该研究团队的成员。
“由于DNA纳米技术领域内目前使用的分子大部分无法使用CANDO程序生成，因此Bathe他们的这一成果将非常受欢迎。”Rothemund说。
研究人员计划在未来数个月内公开发布自己的算法，使其他DNA设计师也可以从中受益。在该模型的当前版本中，设计者必须自己指定DNA序列，Bahte希望尽快开发一个新版本，在这个版本中设计人员只需简单地给出特定形状，计算机就能自动生成DNA序列。 这将使纳米尺度的3D打印更为可靠，这里的3D从 澳水”就是是人工合成的DNA。
3D打印DNA结构的应用：分子支架及纳米级模具
一旦研究人员能够使用DNA 3D打印纳米尺度的任意几何形状，他们就能将其与其他种类的分子结合并将产生许多不同的应用。“这些DNA对象是被动的结构支架。”Bathe说，“它们的功能来自与之相连接的其它分子。”
Bathe正在进行研究的一类分子是捕光分子，又被称为载色体（chromophores），这是光合作用的重要组成部分。在活细胞中，这些分子分布在蛋白质骨架上，但蛋白质较难制造成纳米级组件，所以Bathe的研究小组正在试图用DNA来模仿蛋白质的支架结构。
另一种可能的应用是设计某些特殊的支架，使得研究人员可以用来模仿由多个蛋白质亚基组成的细菌毒素组件。例如，志贺菌（Shiga）毒素是由5个蛋白亚基按照一种特定的五聚体结构形成的，这种结构使得它能够偷偷进入细胞。如果研究人员能够复制出这样的结构，他们就可以制造出被去掉毒性的志贺菌，然后用它作为载体向细胞内运送药物或信使RNA。
“这种亚基是进入细胞非常有效的方式，而且在某种程度上，不会引起排异反应，或者导致其庀赴的机制降解。”Bathe说。“使用DNA，我们可以建立一种支架，并将其作为运输工具，来输送其他东西，比如小分子RNA、mRNA、癌症药物和其他药物。”
此外，研究人员还使用的DNA的纳米结构作为模具来生成金或其他金属的细小颗粒。在最近发表的科学论文中，Bathe及其在哈佛大学Wyss生物工程研究所的同事们已经证明，用DNA制成的模具可以将黄金和白银铸造成立方体、球体和更复杂的结构，如Y形的颗粒等。这种方法利用了DNA的光学性能进行编程，可通过计算机模型来预测。这种方法提供了一种“按需制造”纳米粒子的设计与合乒ひ眨在纳米科学和技术领域有着广泛的应用前景。
