DNA折纸术 “折”出生命所需神奇图案

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Dna(脱氧核糖核酸)是一种传递生命密码的神奇物质。这就是众所周知的双螺旋结构。今天，这个生命分子变得如此有创造力。

清华大学生命科学学院魏分子设计研究组和清华大学医学院研究组在《自然通讯》上发表论文，称他们以dna的简单分支为结构单元，构建了管状结构、多面体结构和多层三维阵列结构等复杂结构，实现了核酸分子设计的初步蓝图。

将dna自组装成所需的二维模式

作为一种天然的生物大分子，dna不仅是生命的密码，也是制造纳米级部件和机器的通用部件。由于dna的大小是纳米级的，所以它具有结构刚性和编码能力强的特点。因此，dna纳米技术的研究人员利用dna分子的自组装特性，根据核酸碱基的互补配对，在试管中设计和构建精确且复杂的有序结构，具有纳米级的精度。这种dna纳米结构还可以在特定位置修饰dna链，使其可以作为支架引导其他分子或纳米材料进行可控的自组装。

这个新领域被称为dna折纸技术。折纸意味着人们可以用一张纸折叠飞机、青蛙和鲜花。同样，发明dna折纸技术的科学家使用比头发丝细1000倍的核酸分子，如dna和rna，来折叠和自我组装成复杂的结构。当互补的核苷酸碱基在dna中接触并结合时，就会产生这个结果。

2006年，美国加州理工学院的研究小组利用dna折纸术选择噬菌体m13的基因组dna作为长链，然后利用200多个短单链DNA按照碱基互补配对的原理“钉”在由长链组成的支架上，将长链折叠成所需的矩形、三角形、五角形和笑脸等二维平面图案。

传统的dna自组装方法是先用酶“切割”dna分子，然后在模具中重建其双螺旋结构。与dna折纸相比，DNA折纸不仅能在纳米尺度上更精确地组装和排列，而且能得到更复杂、更精细的可编程图案和结构，实验操作更简单，组装效率更高。

一条长的单链dna取代了许多短链dna

然而，有如此多的短链脱氧核糖核酸，以至于科学家在使用长短链配对组合的脱氧核糖核酸折纸技术时，无法利用生物系统来复制它们。因此，解决这个问题的一个方法是设计一个能够自我折叠成任何结构的长链DNA。2017年，亚利桑那州立大学和哈佛大学的研究人员开发了一种单链折纸技术，这种技术使用细长的面条状单链dna或rna (RNA)，先后经过加热和冷却，将其折叠成设计的结构。

科学家们已经破解了核糖核酸的结构形成机制，克隆了它的序列，并利用酶在活细胞如大肠杆菌或试管中产生了所需的具有特定结构的单链脱氧核糖核酸和核糖核酸。

纳米机器人实现精确医疗

中国科学家在dna折纸技术上也取得了许多突破。2017年，清华大学伟迪明分子设计实验室提出了一种构建dna折纸结构的新方法，即折叠骨架dna形成链交换位点，将折叠的骨架dna片段作为结构模块，相邻的结构模块通过平行排列的支架dna相互固定。这种结构使得dna折纸结构模块化，从而降低了dna折纸结构的设计难度和成本，并提高了所得结构的可变性和复杂性。

dna折纸技术的应用正在深化。科技部基础研究管理中心发布的2018年中国十大科技进步中，有国家纳米科学中心开发的纳米机器人项目。中国科学院化学研究所研究员高明元评论说，与众所周知的化疗和靶向治疗策略不同，纳米机器人项目小组提出了一种全新的治疗方法。“首先，通过dna折纸技术构建片状分子，然后将其折叠形成药物载体。在这个载体的边缘，装载着能够识别肿瘤的分子。该药物载体在到达肿瘤区域并被识别后将被再次打开，释放其中所含的药物以实现对肿瘤的精确治疗。”

目前，利用dna折纸技术开发的纳米机器人已在猪、小鼠等活体血管中实现稳定工作，并高效完成定点给药功能。在清华大学生命科学学院发表的最新研究中，管状、多面体和多层三维阵列的每个短链dna都有不同的序列，可以在特定位点设计和修饰。因此，可以为精密医学提供更好的支持。