分子生物學(xué)

Science Advances：利用開源性軟件完成DNA設(shè)計(jì)

2022-12-27分子生物學(xué)

Tiny rounded nanostructures made of DNA — 圖片:這些納米結(jié)構(gòu)不比病毒大，每一個(gè)都是用新的軟件構(gòu)建的，研究人員可以用同心DNA環(huán)設(shè)計(jì)物體。模型(上)與實(shí)物的電子顯微鏡圖像(下)一起展示。
資料來源:亞利桑那州立大學(xué)Yan實(shí)驗(yàn)室Raghu Pradeep Narayanan和Abhay Prasad提供。

杜克大學(xué)(Duke University)和亞利桑那州立大學(xué)(Arizona State University)研究實(shí)驗(yàn)室里出現(xiàn)的微小納米級(jí)結(jié)構(gòu)令人驚嘆，你很容易想象自己正在瀏覽世界上最小的陶器目錄。

一篇新論文揭示了這些團(tuán)隊(duì)的一些發(fā)明:小花瓶、碗和空心球體，一個(gè)藏在另一個(gè)里面，就像俄羅斯套娃的家庭用品。

但研究人員不是用木頭或粘土制作這些物體，而是用線狀的DNA分子設(shè)計(jì)這些物體，彎曲和折疊成復(fù)雜的三維物體，精度達(dá)到納米級(jí)。

這些發(fā)明展示了杜克大學(xué)博士生Dan Fu和他的導(dǎo)師John Reif開發(fā)的一種新的開源軟件程序的可能性。12月23日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)雜志上的報(bào)道稱，該軟件允許用戶繪制圓形圖形或數(shù)字模型，并將其轉(zhuǎn)化為DNA組成的3D結(jié)構(gòu)。

DNA納米結(jié)構(gòu)由合著者Raghu Pradeep Narayanan和Abhay Prasad在亞利桑那州立大學(xué)的Hao Yan教授的實(shí)驗(yàn)室組裝和成像。每個(gè)微小的空心物體直徑不超過百萬分之二英寸。一根針尖上就能裝下5萬多個(gè)。

但研究人員表示，這些不僅僅是納米雕塑。該軟件可以讓研究人員創(chuàng)造出運(yùn)送藥物的微型容器，或者為太陽能電池、醫(yī)學(xué)成像和其他應(yīng)用創(chuàng)造出鑄造特定形狀的金屬納米顆粒的模具。

對(duì)大多數(shù)人來說，DNA是生命的藍(lán)圖;所有生物的基因指令，從企鵝到楊樹。但對(duì)于賴夫和嚴(yán)的團(tuán)隊(duì)來說，DNA不僅僅是遺傳信息的載體——它是源代碼和建筑材料。

在DNA的遺傳密碼中有四個(gè)“字母”或堿基，它們在我們的細(xì)胞中以一種可預(yù)測的方式配對(duì)，形成DNA階梯的梯級(jí)。研究人員采用的正是DNA嚴(yán)格的堿基配對(duì)特性——A與T, C與G。通過設(shè)計(jì)具有特定序列的DNA鏈，他們可以“編程”這些鏈將自己拼湊成不同的形狀。

這種方法包括折疊一條或幾條單鏈DNA長片段(數(shù)千個(gè)堿基長)，借助幾百條短DNA鏈與長鏈上的互補(bǔ)序列結(jié)合，并將它們“固定”在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

自20世紀(jì)80年代以來，研究人員一直在試驗(yàn)將DNA作為建筑材料。最早的3D形狀是簡單的立方體、金字塔、足球——表面粗糙塊狀的幾何形狀。但要設(shè)計(jì)出更類似于自然界中發(fā)現(xiàn)的曲面結(jié)構(gòu)一直很棘手。該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是擴(kuò)大這種方法可能產(chǎn)生的形狀的范圍。

為此，研究人員開發(fā)了一款名為DNAxiS的軟件。該軟件依賴于Yan在2011年描述的一種DNA構(gòu)建方法。20年前，Yan在加入亞利桑那州立大學(xué)之前，曾在杜克大學(xué)與Reif一起做博士后。它的工作原理是將長DNA雙螺旋螺旋盤繞成相互堆疊的同心圓，形成物體的輪廓，就像用粘土線圈制作罐子一樣。為了使結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固，該團(tuán)隊(duì)還可以用額外的層來加固它們，以增加穩(wěn)定性。

Fu向我們展示了它們能做出的各種形狀:球果、葫蘆、三葉草的形狀。DNAxiS是第一個(gè)允許用戶自動(dòng)設(shè)計(jì)這種形狀的軟件工具，使用算法確定在哪里放置短的DNA“釘”，將較長的DNA環(huán)連接在一起，并保持形狀不變。

“如果它們太少，或者它們在錯(cuò)誤的位置，結(jié)構(gòu)就不會(huì)正確形成，在我們的軟件出現(xiàn)之前，形狀的曲率使這個(gè)問題特別困難。”

例如，給定一個(gè)蘑菇形狀的模型，計(jì)算機(jī)就會(huì)吐出一串DNA鏈，這些DNA鏈可以自我組裝成正確的結(jié)構(gòu)。一旦DNA鏈被合成并在試管中混合，剩下的事情就會(huì)自行解決:通過加熱和冷卻DNA混合物，在短短12小時(shí)內(nèi)，“它就像魔法一樣折疊成DNA納米結(jié)構(gòu)”。

研究人員說，他們的DNA設(shè)計(jì)軟件在實(shí)驗(yàn)室或臨床的實(shí)際應(yīng)用可能還需要數(shù)年時(shí)間。但Reif說:“這在自動(dòng)設(shè)計(jì)新型三維結(jié)構(gòu)方面是向前邁出的一大步。”

本研究由美國國家科學(xué)基金會(huì)資助(1909848,2113941,2004250,1931487)。