　　在人們印象中DNA一直是雙螺旋的模樣,，而9月7日,，中美科學(xué)家聯(lián)合開發(fā)出了“巨型DNA”,，并將其“釘”在一起,，構(gòu)建出更大、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu),，例如四面體,、六面體、棱柱體等等,。讓DNA可以如此隨心所欲地改變結(jié)構(gòu),，主要依靠了DNA折紙技術(shù)，其概念提出者美國加州理工學(xué)院的保羅·羅斯蒙德甚至用DNA在硅片上繪制成一幅名畫《星空》,。

　　科學(xué)家們研究DNA折紙技術(shù)可不是為了搞“藝術(shù)創(chuàng)作”,，其目的是利用DNA的堿基配對特性,，將其用作原料構(gòu)建納米模型，而非遺傳信息的載體,。未來,，利用DNA折紙技術(shù)可以制成納米機器人、合成疫苗,、DNA“硬盤”,、納米膠囊藥物……

　　從二維到三維 DNA“折”出各種形狀

　　“DNA折紙技術(shù)就是將連成片的DNA當(dāng)作‘紙’，通過設(shè)計和堆疊,，構(gòu)建出自己想要的模樣,。”天津化工學(xué)院教授,、博士生導(dǎo)師齊浩表示,，像折疊一條長帶子那樣，把一條緊密盤繞的DNA長鏈反復(fù)折疊作為“紙張”,，而許多短的單鏈DNA發(fā)揮著類似于“訂書針”的功能,，可以固定長鏈DNA特定的位置，從而在二維或三維空間上堆疊出復(fù)雜的結(jié)構(gòu),。

　　DNA之所以可以按需求被折疊,、粘貼，還要歸功于它獨特的雙螺旋結(jié)構(gòu)：兩條平行,、反向的單鏈之間按照精密的堿基互補原則相連接,，就像一把鑰匙配一把鎖，具有唯一性和高度特異性,?！斑@些堿基的化學(xué)組成使得設(shè)計好堿基排序的兩條DNA單鏈，能在茫茫鏈海中找到彼此,，緊密結(jié)合,，最終組成研究者想要的形狀?！饼R浩說。

　　“進行DNA折紙,，首先需要通過程序化軟件進行序列設(shè)計,，然后將模板鏈和輔助折疊鏈以一定比例混合進行退火雜交，并將獲得的組裝結(jié)構(gòu)進行后續(xù)的功能化修飾和最終純化等操作,?！饼R浩解釋說，“模板鏈就是作為支架的DNA長鏈,，輔助折疊鏈就是‘訂書釘’,?；旌螪NA與‘訂書釘’，加熱至一定溫度,，并冷卻至室溫,，這些鏈會按照事先設(shè)計好的序列，自發(fā)形成所需的形狀,。由于每條DNA鏈都彼此不同,，整個DNA折紙結(jié)構(gòu)是完全可尋址的，可任意指定地點對結(jié)構(gòu)進行功能化修飾,?！?/p>

　　從2D笑臉表情到3D幾何物體和字母積木，折紙技術(shù)也越來越高超,?！熬湍壳癉NA折紙的發(fā)展程度，理論上能設(shè)計出的二維或三維結(jié)構(gòu)都是可以通過DNA折紙技術(shù)實現(xiàn)的,?！饼R浩說。

　　“在2006年,，羅斯蒙德提出了DNA折紙技術(shù)后,，他所在的實驗室開發(fā)過一種叫作caDNAno軟件程序，通過這一程序可以手動構(gòu)建出支架DNA折紙的二維圖紙,?！饼R浩介紹，后來升級的新型軟件程序dubbed CanDo,，既容納了caDNAno的二維設(shè)計性能,，還可用于預(yù)測能最終設(shè)計出的三維結(jié)構(gòu)。

　　隨著DNA折紙技術(shù)的發(fā)展,，美國亞利桑那州大學(xué)生物與化學(xué)研究所的嚴(yán)浩課題組,、哈佛大學(xué)的殷鵬課題組等開發(fā)出了更加復(fù)雜的DNA折紙技術(shù)，能將控制單鏈的DNA折疊回來,，形成二維或三維納米結(jié)構(gòu),，成功創(chuàng)造更多復(fù)雜的形狀?！案倪M后的技術(shù)也使折紙的穩(wěn)定性大大提高,，并讓利用DNA折紙技術(shù)形成任意形狀成為可能?！饼R浩對記者說,。

　　遞送藥物、儲存信息經(jīng)過折疊的DNA“能力”爆棚

　　納米機器人是DNA折紙技術(shù)的最大應(yīng)用領(lǐng)域之一,，目前納米機器人在藥物遞送和疾病治療方面表現(xiàn)出巨大的潛力,?！鞍袲NA折成各種形狀的結(jié)構(gòu)后，其中一個用途就是攜帶諸如藥物分子,、金屬納米顆粒和蛋白質(zhì)等物質(zhì),。”齊浩介紹,，一般分子是攜帶在“訂書釘”上,，因為每個DNA納米結(jié)構(gòu)包括大約200個訂書釘，可以精確攜帶“貨物”,。

　　“目前研究人員已經(jīng)生產(chǎn)出這種納米機器人,，這些納米機器人能夠攜帶藥物沿著設(shè)計的路徑移動，精準(zhǔn)到達(dá)病灶的位置,，進行精準(zhǔn)給藥,。”齊浩介紹,，例如2018年嚴(yán)浩團隊與我國國家納米科學(xué)中心的研究人員聯(lián)合開發(fā)的一種DNA納米機器人遞送系統(tǒng),。該納米機器人攜帶可導(dǎo)致血栓形成并殺死腫瘤的凝血酶，通過識別腫瘤微環(huán)境信號,，將藥物精準(zhǔn)送至腫瘤附近血管,。然后利用核仁素、定向序列及“拉鏈”序列等部件,，將納米機器人打開,，讓藥物精準(zhǔn)

　　釋放，在腫瘤附近形成血栓,，阻斷腫瘤供給,，從而實現(xiàn)“餓死”腫瘤的目的。

　　“除了納米機器人,，DNA折紙技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域還可構(gòu)建用于治療或診斷的傳感器,、藥物和疫苗?！饼R浩舉例說,，比如研究人員將鏈霉親和素和寡核苷酸抗原搭載在四面體DNA納米結(jié)構(gòu)上，形成合成疫苗,。在小鼠研究中,，相比于鏈霉親和素和寡核苷酸的混合物，該疫苗能讓小鼠體內(nèi)產(chǎn)生更多的抗體,，增強免疫響應(yīng)。

　　“通過DNA折紙結(jié)構(gòu),，甚至可以制造藥物納米片,。在細(xì)胞內(nèi)根據(jù)需要,，可產(chǎn)生藥物的DNA折紙納米膠囊?！饼R浩解釋說,，理論上，納米膠囊應(yīng)包含RNA聚合酶——這是一種能夠產(chǎn)生RNA和DNA模板的酶,。一旦被激活,，納米膠囊將開始制造和釋放有效載荷，就像病毒使用細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)來復(fù)制自身一樣,。

　　DNA折紙也被應(yīng)用到干細(xì)胞的研究中,。在過去的干細(xì)胞研究中，所采用的藥物或材料都面臨著生物相容性差,、生物利用度低等諸多問題,，DNA折紙形成的DNA四面體納米結(jié)構(gòu)(TDN)具有促進干細(xì)胞進行自我更新、促進干細(xì)胞遷移以及促進干細(xì)胞向特定方向分化等諸多優(yōu)勢,。

　　在醫(yī)療領(lǐng)域之外,，DNA折紙技術(shù)對信息儲存和加密領(lǐng)域也有所推動?！叭绻袲NA當(dāng)做硬盤使用,，其對信息的存儲效率遠(yuǎn)超硬盤500萬倍，節(jié)省空間且更加穩(wěn)定,?！饼R浩介紹，通過DNA折紙技術(shù)集成后的DNA圖案還可以包含空間位置排列,、集成單元數(shù)量等信息,，可大大提升DNA的信息承載能力。

　　效率低成本高改進折紙技術(shù)還要靠RNA

　　盡管DNA納米技術(shù)已經(jīng)問世20多年了,，仍然面臨著很多挑戰(zhàn),。“DNA折紙可以對人類健康產(chǎn)生很大影響,，但產(chǎn)出比是關(guān)鍵問題,，現(xiàn)在產(chǎn)出率還不到克級別?！饼R浩表示,，以目前的技術(shù)，還無法做到大規(guī)模的量產(chǎn),。而且與低效率同時存在的是高成本,。目前DNA折紙的成本非常高，實驗室中“折”出很小的一個圖形，就需要花費數(shù)千元甚至上萬元人民幣,。

　　另外一個難題是可以被附著到DNA上的材料品種非常少,。研究人員正在努力擴大折紙設(shè)計可以使用的材料范圍。比如嘗試將蛋白質(zhì)作為“訂書釘”來組裝DNA,，或更新caDNAno設(shè)計軟件程序,，以囊括RNA和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的使用。

　　“目前最大的限制還是對自組裝過程的控制不足,。隨著DNA折紙結(jié)構(gòu)越來越大,，錯誤折疊的機會會增加。目前研究人員正在尋找新的策略來抑制自組裝錯誤,?！饼R浩介紹，羅斯蒙德提出的一種可能性是拋棄傳統(tǒng)方法(體外混合,、加熱和冷卻方法),，而使用細(xì)胞來進行合成工作。對于更復(fù)雜的折紙納米結(jié)構(gòu),，可能必須使用RNA,。與DNA不同，單鏈RNA可以在沒有“訂書釘”的情況下保持形狀,。但目前RNA納米材料領(lǐng)域幾乎是一塊“處女地”,，需要學(xué)習(xí)的東西還很多。

（責(zé)編：鄢妮）