四篇Nature重量级论文：华人研究组报道DNA折纸突破进展

　　DNA是一种强大的构建载体，它的序列可以被设计，精确自我组装。由此2006年美国加州理工学院计算机生物工程师Paul Rothemund开发了一种“DNA折纸术”，最新一期（12月6日）的Nature杂志上公布了四项最新突破性成果，三个研究小组利用各种新策略，组装出了比以前更大的DNA结构，而且这些方法也能帮助DNA折纸以更低成本批量生产，这代表着这一研究领域的一大跃进。

　　

——三种新方法利用DNA生成了最大的DNA折纸结构，这些自组装结构包括纳米泰迪熊，还有纳米蒙娜丽莎

生物通报道：DNA是一种强大的构建载体，它的序列可以被设计，精确自我组装。由此2006年美国加州理工学院计算机生物工程师Paul Rothemund开发了一种“DNA折纸术”（ DNA origami technique），像折叠一条长带子那样，把一条DNA长链反复折叠，形成需要的图形，就像用一根单线条绘制出整幅图画。经过近十年的发展，DNA折纸技术已经变得更加强大了。最新一期（12月6日）的Nature杂志上公布了四项最新突破性成果，三个研究小组利用各种新策略，组装出了比以前更大的DNA结构，而且这些方法也能帮助DNA折纸以更低成本批量生产，这代表着这一研究领域的一大跃进。

分形组装过程构建蒙娜丽莎的概念动画

来自加州理工学院生物工程系的钱璐璐（Lulu Qian）博士早年师从上海交通大学贺林院士，她一直都对生物纳米技术与DNA分子计算感兴趣，几年前就曾与加州理工学院合作，利用人工合成的DNA分子，在试管中制成了当时最复杂的生化电路。今年9月，其研究组在Science杂志上发表了全新DNA“机器人”的重要成果，解决了现有的机器人不能自动行走等局限问题。华人青年学者最新Science再发重要成果：从人工生化电路到DNA机器人

在最新的Nature论文（“Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns”）中，钱博士等人受到数学中“分形(Fractals) ”概念的启发，研发出了一种成本低廉的新折纸技术。

“分形(Fractals) ”其实是指不同尺寸的相关物体重复出现，比如不同大小的血管，或者雪花晶体。“如果要从一组特殊的DNA链开始，构建非常复杂的DNA纳米结构，就必须将组装过程分解成多个更简单的步骤。在每一步中，几个较小的结构单元都是在各自试管中组装出来，然后再将它们混合在一起，进一步自组装成更大的结构”，钱博士说。她的研究团队也开发了在线软件，从而其他研究组也可以使用这一技术了。

公鸡，细菌和蒙娜丽莎的“DNA折纸”原子力显微图像

来自慕尼黑理工大学的生物物理学家Hendrik Dietz的研究小组则是采用的DNA折纸技术与逐步构建策略，也就是自然界中分子机器采用的方法，例如对称性和多层次的装配过程。这些方法令他的团队“从DNA折纸之前的megadalton单位发展成了gigadalton单位”。

另一篇文章（“Biotechnological mass production of DNA origami”）中，Dietz等人还利用噬菌体大量生产自切割单链DNA，然后将其组装成肉眼可见的纳米结构。

中间组装产物的透射电子显微照片（左）和完全组装的十二面体（右）。缩放比例为50纳米

 

哈佛医学院Wyss生物工程研究所的系统生物学家尹鹏（Peng Yin）早年毕业于北京大学，其研究组曾在“DNA折纸”研究领域取得了许多重要成果。在最新这项研究中，尹鹏等人采用的是与上述两者都不同的一种新策略：传统DNA折纸技术是用长支架链和短链搭建而成，而尹鹏研究组从DNA短链中构建了一个包含52个核苷酸的DNA单元，就像是一块乐高积木。

尹鹏说：“与传统的脚手架折纸相比，DNA‘积木’具有许多优点。 首先它是模块架构，这意味着如果你想设计不同的形状，只需要从现有的DNA‘积木’库中寻找，进行组装。其次这种方法不需要长的脚手架链，至少从原理上来说，它应该更具可扩展性。”

10,000个DNA“积木”搭建出了一个泰迪熊形状的空腔
 

这些研究人员都希望能通过增加组装结构的尺寸，最大限度地提高核酸生产能力，从而创建和测试可以用于各种应用的分子结构。 Dietz表示他的研究组小组对分子疗法特别感兴趣，“你可以在纳米结构表面上将病毒蛋白作为抗原，然后获得免疫反应，这样就不需要让生物机体接触实际的病毒。这是完全合成的。将来还会有很多有趣的临床应用”，他解释说。

包括V形，矩形和三角形DNA折纸砖组成的自组装十二面体的代表性图像。结构的半径约为220纳米，分子量约为1.2gigadaltons

（生物通：万纹）
 

参考文献：

L.L. Ong et al., “Programmable self-assembly of three-dimensional nanostructures from 10,000 unique components,” Nature, doi:10.1038/nature24648, 2017.

F. Praetorius et al., “Biotechnological mass production of DNA origami,” Nature, doi:10.1038/nature24648, 2017.

G. Tikhomirov et al., “Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns,” Nature, doi:10.1038/nature24655, 2017.

K.F. Wagenbauer et al., “Gigadalton-scale shape-programmable DNA assemblies,” Nature, doi:10.1038/nature24651, 2017.