颜颢和张峰联手打造“傻瓜式”DNA折纸生产——画得出来,就做得出来!-肽度TIMEDOO

最近几年,一种被称为DNA折纸术的方法取得了丰富的成果,使人能够构建出一个快速增长的二维和三维物体,在材料科学、纳米电子学、光子学和生物医学领域有着广泛的应用。

在最新一期的Science Advances杂志发表的新研究中,颜颢团队与麻省理工学院的科学家合作,描述了一种能实现DNA折纸结构自动化的方法,极大地加速和简化了制作所需的形式,将DNA建筑的世界开放给了更广泛的受众人群。

“DNA折纸设计已经到了我们可以自由绘制形式的地步,只需告诉计算机输出我们所需的目标内容,”颜教授说。

DNA纳米架构的多样性和多功能性使其能够应用于微型逻辑门控和纳米计算机,拥有独特特性的先进材料、纳米电子和纳米电路。

在最近的研究中,DNA折纸纳米结构已经证明了提高化疗、降低副作用甚至耐药管理的效果。

颜教授是亚利桑那州立大学分子科学学院杰出教授,负责指导分子设计与仿生学生物设计中心,他与麻省理工学院生物设计成员张峰和Xiaodong Qi,以及生物和化学工程系的Mark Bathe教授合作。ASU团队贡献专业知识来验证MIT团队的设计。

无止境的形式

DNA折纸的力量在于这种方法能够设计和构建一个几乎无限的形式组,这些形式可以由它们的组件们自我组装。基本技术包括一段单链DNA,通过四个互补核苷酸的碱基配对精心折叠成所需形状。为了完成纳米形态,从20-60个核苷酸长度的短DNA片段(短链)开始添加。

最初DNA折纸被用来设计相当简单的二维结构,包括星星、三角形和笑脸,这些直径仅为十亿分之一的物体,只能用先进的成像技术(主要是原子力显微镜,AFM)才能看到。DNA折纸技术自那时起经历了迅速发展,允许设计和建造几乎任意二维或三维物体。

这项技术的迅速发展是由于支架式DNA折纸机建造DNA的可能性不断扩大,以及DNA在生理环境中的安全性和稳定性的不断提高。尽管纳米材料自组装具有令人印象深刻的可靠性,但设计各种形状所需的实际设计阶段却是高度复杂和劳动密集型的,特别是将短链折叠成所需几何结构的长脚手架。

在可视化软件的帮助下,该步骤通常是针对每个几何图形手动处理的。缺乏系统的设计规则来生产精确的主链和折叠支架,意味着,DNA折纸的强大技术很大程度上只能被该领域的专家所用。

新研究提供了一个完全自动化的替代方案。对于自动化过程,给定二维结构的设计者首先对所需形状的外部边界进行简单的手绘,手绘图作为输入,程序专用算法自动确定内部结构,或者用另一种方法,使用连续线事先绘制完整的内外边界几何图形。

无论采用哪种技术,都基于2D几何作为执行自动支架和短链布线的算法输入,之后,支架和短链的DNA序列可以从商业网点订购,并按照规定的加热和冷却配方混合在试管中,最后自组装成成品结构,采用AFM成像可视化观察。

这种方法为非专家提供了容易合成复杂纳米结构的方法,有助于推动该领域的发展。

画得出来,就做得出来!

研究表明,这种名为PERDIX(Programmed Eulerian Routing for DNA Design using X-overs)的程序能够承担包括三角形网、正方形和蜂窝状几何图形等15个不规则设计对象不同形状参数的自动序列设计。程序获取需访问研究团队的网站:http://perdix-dna-origami.org

PERDIX是一种看似简单、用户友好的二维DNA纳米结构生产方法,但是其背后是多年的试验和失败。

在使用上,PERDIX可以通过简单的计算机辅助设计(CAD)将任何2D多边形网络设计自动转换为架构DNA纳米形态蓝图。该软件的简单性和便捷性使非专业人士也能够将几乎任何2D多边形形状转换为完整设计,从而“打印”出二维纳米DNA结构。

原文检索:Autonomously designed free-form 2D DNA origami

来源:生物通