自动化DNA折纸技术诞生啦

DNA折纸技术是一门将DNA折叠成微小结构的科学，它起源于上世纪80年代初，当时纽约大学的Ned Seeman提出利用DNA的碱基配对能力来创造任意的分子排列。2006年，加州理工学院的Paul Rothemund创造了第一个二维DNA结构支架。后来其他人使用类似的方法创建了复杂的三维DNA结构。然而，所有这些工作都需要专业的技术知识和复杂的手工设计，这使得大多数人无法接触到这个过程。

近日，麻省理工学院（MIT）和亚利桑那州立大学的研究人员设计了一种计算机程序，允许用户将任何自由格式的图形转换成由DNA构成的二维纳米结构，论文于1月2日在《科学进展》杂志上。利用这个程序，任何人可以创建任何形状的DNA纳米结构，用于细胞生物学、光子学、量子传感和计算等领域。

MIT生物工程副教授、该研究的通讯作者Mark Bathe说：“这项工作可以让任何人绘制任意二维形状的图形，并将其自动转换成DNA折纸。”

2016年，Bathe和他的同事就开发了一种自动生成三维多面体DNA结构的方法，在这项新的研究中，他们开始致力于自动设计任意的二维DNA结构。为了达到这一目的，他们开发了一种新的数学方法来研究单链支架通过整个结构形成正确形状的过程。由此产生的计算机程序可以采用任何自由格式的图形，将其转换为DNA序列以创建该形状，最终转换为短纤维链的序列。

利用这个计算机程序，用户可以在任何计算机绘图程序中绘制图形，然后转换成计算机辅助设计（CAD）文件，最后输入到DNA设计程序中。“得到CAD文件后，一切都是自动的，就像打印一样，只是这里的墨水是DNA。”Bathe说。序列生成后，用户可以对它们进行排序，方便地生成指定的形状。在这篇论文中，研究人员创造了一种形状，其中所有的边都由两个DNA双链组成，当然他们也有更加严格的工作程序，每条边由六个DNA双链组成。相应的三维多面体软件工具TALOS已经在网上发布，并将很快在ACS Nano杂志上发表。这些大小在10到100纳米之间的形状，可以在缓冲溶液中悬浮数周或数月保持稳定。

“我们能够以一种非常简单的方式设计和制造这些东西，这有助于解决这个领域的一个主要瓶颈。现在，该领域可以向工业和学术界更广泛的人群过渡，使DNA结构功能化，并扩展其应用。”Bathe说。

因为能够精确地控制合成DNA粒子的结构，研究人员可以在特定的位置附着多种其他分子。这可能有助于在纳米尺度上模板化抗原，从而阐明免疫细胞如何识别病毒和细菌上抗原的特定排列并被激活。“免疫细胞如何识别纳米级的抗原模式是免疫学中一个不为人知的领域，将抗原附着在结构DNA表面，并以有组织的模式显示它们，是探索该领域的一种好方法。”Bathe说。

该研究另一个关键的应用是设计光收集电路来模拟植物中的光合作用复合体。为了达到这一目的，研究人员正在将一种被称为“发色团”的光敏染料附着在DNA支架上。除了收集光，这种电路还可以进行量子传感和基本的计算。如果成功，这将是第一个可以在室温下工作的量子计算电路。该程序的其他可能应用包括，帮助细胞中的大分子蛋白质进行组装，这样这些大分子蛋白质就可以更容易地用高分辨率的低温电子显微镜成像。

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编译：花花  

责编：张梦

期刊来源：《科学进展》

期刊编号：2375-2548

原文链接：

https://scienceblog.com/505082/dna-design-that-anyone-can-do/

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