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凯发娱乐官网电玩网址-《自然》重磅四连:折叠未来!用DNA搭出多面体泰迪熊蒙娜丽莎

2020-01-08 17:46:23    

凯发娱乐官网电玩网址-《自然》重磅四连:折叠未来!用DNA搭出多面体泰迪熊蒙娜丽莎

凯发娱乐官网电玩网址,打开今天的《自然》,奇点糕简直惊掉下巴——同期四篇论文,自家的评论不说了[1],同为顶级期刊的《科学》也兢兢业业奉上一篇长评[2],这是刮的哪阵妖风!再看其他外媒,不得了不得了,这是要刷屏啊,上次有这种待遇的是啥来着?不不不,这不重要。重要的是,这个引得业界大佬齐齐关注的dna纳米技术,到底是何方神圣??

怀着激动的心情看了个开头,奇点糕不禁一锤大腿,难怪科学家是科学家,奇点糕就只能是个学渣!dna是啥?作为一个生物狗,奇点糕能流畅地给诸位表演一段名词解释(不听滚),不就是编码生命所有秘密的双螺旋嘛!殊不知,在部分科学家的眼里,dna可是一种超赞的纳米材料,能为祖国添砖加瓦!

dna可以随意搭建各种形状

啥?用dna搭积木,想啥呢,这脑洞有点大吧。

不不不,这脑洞可不大,dna天然就适合“搞建筑”!

我们都知道,dna分子具有四种不同的碱基,两两配对,保证遗传密码不会遗传着遗传着就乱了。那换个角度想,按这种严谨的配对方式,如果把dna分子作为建筑的“砖块”,碱基就是抹砖的“水泥”,牢固不说,在条件合适的情况下,它们还是自动组装的呢,用不着科学家一块砖一块砖地搭建,别提有多方便了。

一个能够开合的dna…合页?

那dna纳米技术能用来干什么呢?它的应用可多着呢,奇点糕现学现卖,捡两个好玩的给大家讲一讲。

2009年的时候,丹麦奥胡斯大学的研究者做了一个dna折纸盒子(dna origami box)[3]。这个盒子大小只有42×36×36nm,纯粹由dna分子组成,盖子还可以打开。更奇妙的是,这盒子居然还有“锁”——盒盖上有两段dna序列,能够识别特定外来dna。哎哟,这是世界上最小的保险箱嘛。

两个基因锁同时打开,指示剂就亮了~

科学家做这个保险箱出来可不是为了装钞票(也装不下)。这个盒子的锁对应特定的dna打开,这就意味着,我们可以根据特定疾病的标志性基因造盒子啊!在盒子里装上药物,盒子不就成了一个精准定位的药物炸弹了嘛。研究者还很机智地给基因锁加上“指示灯”,锁打开,连接的荧光指示剂就会变色。这可比苦兮兮地各种测量要方便多了。

何况dna还有它的天然优势——比起别的纳米材料,细胞就是更愿意亲近dna折纸。国家纳米科学与技术中心做过一项实验,用dna折纸搭载阿霉素,杀伤乳腺癌细胞效果更好,连耐药癌细胞都吃这一套[4]。

阿霉素会附着在dna折纸上进入癌细胞

要是以为dna纳米技术只能用来递送药物,那你可就错了。2016年,加州理工学院的科学家发挥了一把没释放的艺术天分,把dna纳米技术和光学联系到一起,重现了梵高的名作《星空》[5]。利用核苷酸带电这个特点,研究者指引它们在刻好的底板上安家落户,用科学家自己的话说,这就像是利用dna纳米技术把无数个微型灯泡固定成一盏超级小的灯。

有计算机背景的读者应该联想到了,这不光是一幅画,这还是一张超级迷你的光学计算机芯片啊[6]!

相似度非常高啊

利用dna搭建结构这个脑洞大开的想法,最早可以追溯到20世纪80年代,当时在纽约大学任教的nadrian seeman首次提出了dna纳米技术的概念[7]。他认为,利用dna核苷酸互补的规则和合成dna技术,我们可以在纳米级别上随便爱建什么都行。

这个想法在2006年迎来了重大突破。加州理工学院的paul rothemund开发出了dna折纸技术(dna origami)[8]。这种技术由两部分构成,一部分是长链dna,我们把它叫做“脚手架”;另一部分则是短链dna,我们把它叫做“订书钉”。短链dna是能够和长链dna的某一部分配对的,当把它们放在一起,订书钉就会把脚手架的某些部分“钉”在一起,让长链不断折叠,形成一个固定的形状。当年rothemund教授发表的论文里,就是使用dna折纸技术造出了一个直径100nm大小的emoji表情。

利用订书钉把脚手架折叠起来,是不是和折纸很像?

原子显微镜下的笑脸

这个技术发展到这里可以说是已经比较成熟了。不过不知道读者有没有发现它存在的一个问题——脚手架不够长!一般来说一个脚手架长度在7200个核苷酸左右,做出的折纸怎么算也就100nm大了。再大下去,dna链太长了,合成难度指数级上升不说,造出来的折纸也不稳定(想想超大号纸飞机那软塌塌的翅膀)。只有区区100nm,对dna折纸的功能限制很大啊!

今天《自然》发表的第一篇研究就解决了这个问题。加州理工学院钱露露(lulu qian)博士团队把小块dna折纸像拼图一样拼起来,完美实现了预想的结构[9]。这次登上《自然》封面的,就是世界上最小的《蒙娜丽莎》。这幅画由64块86nm见方的小dna折纸构成,总大小达到了700nm见方。比起100nm可真是大了好多倍啊!

顺便一说,这个设计过程通过fractile compiler软件实现,非专业人士也能够随意设计各种图形,计算机会自动计算出需要的dna序列。

钱博超美!

钱博士这个解题思路也是比较简单直观的。单个脚手架分子长度不达标,我们就把多个折纸拼起来嘛。就像玩拼图一样,每块拼图的形状看上去很相似,其实都是唯一的,这些小dna折纸也是这样。每块小折纸的边缘都是特殊的、两两配对的,这就保证了拼图不会拼错了。

除了蒙娜丽莎,其实还做了大公鸡和细菌啥的

大公鸡的制作思路

说起来简单,做起来困难重重。为了让小折纸毫无误差地拼接上,研究者可能得设计上百种不同的边缘。知道这要花多少时间……以及钱嘛!合成很贵的!

那可咋办呢?有了,咱们可以分步拼接啊。整个大折纸是由8×8个小折纸组成的,那么我们可以先四个四个组起来,做出16个2×2的折纸,再继续四个四个组合。这样只需要设计几种边缘,重复使用就行了,工作量也大大减少了。

分步拼接的思路

dna纳米技术发展了十来年了,当然不可能只有dna折纸一个拿得出手的技术。

就在2012年,哈佛wyss研究所的尹鹏(peng yin)博士团队开发了一种单链dna砖(sst)技术[10]。在这种技术里,32个碱基长的单链dna折叠成一块单独的dna砖,每块砖能够和最多4个邻居相连,同年,他们又实现了利用dna砖搭建三维结构[11]。如果说dna折纸技术是拼图,那么dna砖技术就是乐高积木了。

尹鹏博士

理论上,比起dna折纸需要一次次设计dna序列,dna砖只需要从设计好的诸多“砖块”里挑选合适的摞起来就行了,可谓是简单方便又快速。不过它能够实现的结构大小,和折纸也差不多,再往大了做,结构不稳产量还低。

今天的第二项研究就是尹鹏博士带来的dna砖技术最新进展[12]。在初代版本里,一块dna砖有4个部分(这就是为什么能和4个邻居相连),每个部分有8个核苷酸。在最新版里,每个部分的核苷酸数量上升到13个,总数达到了52个!新的dna砖更大、结构也更复杂,复杂就意味着稳定,也更容易形成大的结构。

dna砖能够不断叠加

和钱博士一样,尹博士也选择利用智能软件nanobricks来设计制作所需的砖块。利用这种方法,他们成功造出了由3.3万个砖块、170万个核苷酸组成的纳米结构。研究者还炫技地在其中留下了各种形状的空腔,足以显示这套系统能够设计非常复杂的结构。

中间空腔是个泰迪熊,也是很可爱了

就算已经有了两种成熟的技术,科学家依旧不会在探索的路上停下脚步。

第三项研究是由德国慕尼黑理工大学hendrik dietz教授团队带来的[13]。在dna折纸和dna砖技术的基础上,他们找到了一种新的构筑dna纳米结构的方法。与前人一样,dietz教授选择了“由小到大”组合的方式,不过他选择的基本元件形状有点奇怪,是个v字形,角度可以调整。

hendrik dietz教授

v字怎么组合?肯定有读者想到了,以v的角为圆心,这样一圈排过去,我们就能够组成一个圆了。再以这个圆为基础,我们还能够组成圆柱(或空心圆筒)。几何学得好的朋友应该还能想到,利用这个v,我们还能够组成多面体。按照这个方法组成的圆环,直径有350nm,十二面体的直径则达到了450nm。

比起平面的dna折纸,和四四方方的dna砖,十二面体可以说是很”光滑“了。这个大小,这个形状,熟悉吗?好多细胞器可就是这样咯。能够对细胞内的工作系统一探究竟,可是很多科学家的梦想呢!

v组合成十二面体

其实,从概念被提出来,dna纳米结构变得越来越大、越来越复杂是个迟早的事。直到今天才获得突破,限制科学家的不光是技术,还有贫穷……

因为合成真的很贵啊!前面奇点糕说的时候,你们是不是没当真?你们猜合成dna多少钱?研究者说,1毫克200美刀[1]……奇点糕看了看自己的工资卡……(biotalker说他合过dna,当年2块钱一个碱基。这么算,尹博士的泰迪熊至少值三百四十万啊。从业的朋友可以留言报个市场价)

今天的最后一项研究终于把dna合成的成本降下来了!这项研究也来自hendrik dietz教授团队[14]。他们利用噬菌体生产长单链前体dna,其中包含dna折纸需要的长、短单链dna,还有dna切割酶。当长序列生产出来,就会被dna切割酶切断,再自己组装成指定的形状。(记不记得dna纳米技术可以在合适的条件下自组装?)

把这个和dna折纸以及dna砖结合起来,就能实现大规模的生产应用了。更重要的是,合成dna的成本从每毫克200美元降到了200美分,直接减少到了原来的百分之一!

彩色部分为订书钉dna,深蓝色为脚手架dna,黑色为dna切割酶

激动人心激动人心。三篇研究带来了搭建dna纳米结构的新方法,一篇研究降低了关键步骤的成本,感觉dna纳米技术马上就要大展拳脚了啊!

从2006年,dna折纸技术的发明拉开了研究的大幕,研究者已经在分子计算、生物以及医学等多个领域取得了成就。

利用dna搭建搭载平台,封装各种分子,可以用于治疗、检测;dna和蛋白质有密不可分的关系,利用这种特性,研究者也可以研究特定生物分子的相互作用;设计dna纳米结构响应温度、ph、离子浓度等多种条件,则有了更多更广泛的应用; 甚至,dna造出的空腔,还可以当作制备纳米元件的模具。还有会走路能“捡钱”的dna机器人,dna纳米马达什么的,黑科技说都说不完[15]。

爱因斯坦说过,未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。有了dna纳米技术,我们无疑又向微观世界更近了一步。

期待未来!

编辑神叨叨

今天文章参考文献厉害了,不是nature就是science,高大上之气迎面扑来~

对这个技术感兴趣的读者建议看参考资料15,真的超级牛×!

参考资料:

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-017-07690-y#ref-cr11

[2]http://www.sciencemag.org/news/2017/12/scientists-shape-dna-doughnuts-teddy-bears-and-image-mona-lisa

[3]andersen e s, dong m, nielsen m m, et al. self-assembly of a nanoscale dna box with a controllable lid[j]. nature, 2009, 459(7243): 73-76.

[4]jiang q, song c, nangreave j, et al. dna origami as a carrier for circumvention of drug resistance[j]. journal of the american chemical society, 2012, 134(32): 13396-13403.

[5] gopinath a, miyazono e, faraon a, et al. engineering and mapping nanocavity emission via precision placement of dna origami[j]. nature, 2016, 535(7612): 401-405.

[6]http://naturalsociety.com/scientists-recreate-a-microscopic-starry-night-1539/

[7]seeman n c. nucleic acid junctions and lattices[j]. journal of theoretical biology, 1982, 99(2): 237-247.

[8]rothemund p w k. folding dna to create nanoscale shapes and patterns[j]. nature, 2006, 440(7082): 297-302.

[9]https://www.nature.com/articles/nature24655

[10]https://www.nature.com/articles/nature11075

[11]ke y, ong l l, shih w m, et al. three-dimensional structures self-assembled from dna bricks[j]. science, 2012, 338(6111): 1177-1183.

[12]https://www.nature.com/articles/nature24648

[13]https://www.nature.com/articles/nature24651

[14]https://www.nature.com/articles/nature24650

[15]https://www.the-scientist.com/?articles.view/articleno/49807/title/building-nanoscale-structures-with-dna/





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