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四篇 Nature 重量級論文報導 DNA 摺紙突破進展

4月
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2018

2018年4月19日13時 今日科學 生物360

生物360

DNA 是一種強大的構建載體,它的序列可以被設計,精確自我組裝。由此 2006 年美國加州理工學院計算機生物工程師 Paul Rothemund 開發了一種 「DNA 摺紙術」( DNA origami technique),像摺疊一條長帶子那樣,把一條 DNA 長鏈反覆摺疊,形成需要的圖形,就像用一根單線條繪製出整幅圖畫。經過近十年的發展,DNA

摺紙技術已經變得更加強大了。最新一期(12 月 6 日)的 Nature 雜誌上公布了四項最新突破性成果,三個研究小組利用各種新策略,組裝出了比以前更大的 DNA 結構,而且這些方法也能幫助 DNA 摺紙以更低成本批量生產,這代表著這一研究領域的一大躍進。

在第一篇論文(Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns)中,來自加州理工學院生物工程系的錢璐璐(Lulu Qian)博士等人受到數學中 「分形 (Fractals) 」

概念的啟發,研發出了一種成本低廉的新摺紙技術。

「分形 (Fractals) 」 其實是指不同尺寸的相關物體重複出現,比如不同大小的血管,或者雪花晶體。「如果要從一組特殊的 DNA 鏈開始,構建非常複雜的 DNA

納米結構,就必須將組裝過程分解成多個更簡單的步驟。在每一步中,幾個較小的結構單元都是在各自試管中組裝出來,然後再將它們混合在一起,進一步自組裝成更大的結構」,錢博士說。她的研究團隊也開發了在線軟體,從而其他研究組也可以使用這一技術了。

公雞,細菌和蒙娜麗莎的 「DNA 摺紙」 原子力顯微圖像

在第二篇論文(Gigadalton-scale shape-programmable DNA assemblies)中,來自慕尼黑理工大學的生物物理學家 Hendrik Dietz 的研究小組則是採用的 DNA 摺紙技術與逐步構建策略,也就是自然界中分子機器採用的方法,例如對稱性和多層次的裝配過程。這些方法令他的團隊 「從

DNA 摺紙之前的 megadalton 單位發展成了 gigadalton 單位」。

在第三篇論文(Biotechnological mass production of DNA origami)中,Dietz 等人還利用噬菌體大量生產自切割單鏈 DNA,然後將其組裝成肉眼可見的納米結構。

中間組裝產物的透射電子顯微照片(左)和完全組裝的十二面體(右)。縮放比例為 50 納米

在第四篇論文(Programmable self-assembly of three-dimensional nanostructures from 10,000 unique components)中,哈佛醫學院 Wyss 生物工程研究所的系統生物學家尹鵬(Peng Yin)等人採用的是與上述兩者都不同的一種新策略:傳統

DNA 摺紙技術是用長支架鏈和短鏈搭建而成,而尹鵬研究組從 DNA 短鏈中構建了一個包含 52 個核苷酸的 DNA 單元,就像是一塊樂高積木。

尹鵬說:「與傳統的腳手架摺紙相比,DNA『積木』具有許多優點。
首先它是模塊架構,這意味著如果你想設計不同的形狀,只需要從現有的 DNA『積木』庫中尋找,進行組裝。其次這種方法不需要長的腳手架鏈,至少從原理上來說,它應該更具可擴展性。」

10,000 個 DNA「積木」搭建出了一個泰迪熊形狀的空腔

這些研究人員都希望能通過增加組裝結構的尺寸,最大限度地提高核酸生產能力,從而創建和測試可以用於各種應用的分子結構。
Dietz 表示他的研究組小組對 分子療法 特別感興趣,「你可以在納米結構表面上將病毒蛋白作為抗原,然後獲得免疫反應,這樣就不需要讓生物機體接觸實際的病毒。這是完全合成的。將來還會有很多有趣的臨床應用」,他解釋說。

包括 V 形,矩形和三角形 DNA 摺紙磚組成的 自組裝 十二面體的代表性圖像。結構的半徑約為 220 納米,分子量約為 1.2gigadaltons


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