“DNA折叠术”正迅速走向应用制造纳米级的结构和机器

科学家设想的通过编程，让形状互补DNA零件自行组装成纳米机器。

　　最近，德国慕尼黑工业大学创造出了一些新型纳米设备：一个会动手臂的机器人，一本能打开、合上的书，一个能开关的齿轮传动装置，还有一个促动器——或许这些已经很吸引人了，但还不是重点。重要的是这些设备体现了科学上的突破——把DNA作为一种可编程的建筑材料，用于制造纳米级的结构和机器。

　　研究人员发表在《科学》杂志上的上述成果，揭示了一种新的DNA连接方法。重组和模块化的三维DNA组件有着互补的形状，能很容易扣在一起，而不是像拉链似的拉在一起的碱基对。这不但能造出会动的纳米机器，而且提供了一种工具包，使研究人员对模块自行组装编程更加容易。

　　新一代DNA折叠术

　　据慕尼黑理工大学教授亨德里克·戴茨介绍，这一领域通常叫做“DNA折叠术”，正在迅速走向实际应用。日前，戴茨因为在这一领域的研究获得了德国最重要的研究奖项——戈特弗里德·威廉·莱布尼茨奖。

　　近年来，戴茨和他的团队在DNA折叠术的应用方面迈出了重要的几步，比如开发出一些实验装置，包括一个由DNA制造的人工膜通道；发现了能大大节约时间的自组装程序，使整个组装过程从一周缩短到几小时；证明了极其复杂的结构也能按设计组装，并具有亚纳米级的精度。

　　然而，以往所有的进步都要用到“碱基配对”，以此决定溶液中每条链和DNA组合之间该怎么结合。新研究中最新奇的东西是“胶水”。

　　“一旦你用碱基对造出了一个组装单位，就很难打破它。”戴茨解释说，“所以动态结构所用的方法通常在结构上是很简单的。”为了能让会动的DNA纳米机器更普适，有更广泛的潜在用途，研究小组从自然的生物分子工具箱中借鉴了两种技术：蛋白质的形状互补方法和它们形成相对弱键的趋势，前者可以简化分子之间的对接，后者能在不需要时断开连接。

　　仿生可提高灵活性

　　研究人员还从一种自然机制中获得了灵感：让核酸分子通过比碱基对更弱的键“粘合”在一起。在自然界，当RNA基酶RNase P“认出”转移RNA时，利用它们的互补外形能形成这种弱键，分子则被引导到足够近的范围，就像宇宙飞船与空间站对接。

　　戴茨实验室的新技术模仿了这一方法。为造出动力DNA纳米机器，他们开始编程，让有着互补结构的3D模块自行组装，然后激活一种称为“核基堆积”的短距离结合机制，在空间里把这些单位模块搭扣在一起。他们有3种不同的方法，可以控制这些DNA模块的形状和功能。戴茨说：“这些带给我们的是分等级的作用力、按要求精确定位的能力以及模块彼此识别、相互匹配的稳定区域。”

　　戴茨小组由此造出了一系列DNA设备：从微米级的细丝，到会动的纳米机器，都显示了这一技术的潜在应用能力。

　　小组人员还传来一个三维纳米人型机器人的电子显微图，以确认它身上的模块是精确地按设计组合的。此外，他们还展示了一种简单的控制方法，能改变溶液的正离子浓度——这可以让DNA模块在不同组态之间切换：组装或解开，比如让机器人的“手臂”脱离，或留在它身上。

　　另一种方法是简单地提高或降低温度，也能让DNA纳米设备在不同结构状态之间“切换”，而这种方法被证明非常有效。对早期的DNA设备来说，需要分开和重连DNA碱基对，通过稀释和单边反应只能进行几轮切换，系统就会“疲劳”。小组论文中还描述了一种剪刀状的促动器，在4天时间里承受了1000多次的温度切换循环，而没有衰减的迹象。

　　戴茨补充说：“温度循环是把能量导入系统的一种方法，所以能把可逆的形状变换与某种可持续进程结合在一起的话，不仅能制造纳米机器，还能给它们提供能量。”

　　类似小孩子玩积木

　　值得一提的是，DNA设备灵活性的一方面，这只需添加形状互补零件就能实现，其关键技术就是弱键结合DNA纳米技术工具包。研究人员指出，只用“碱基配对”来编写自组装程序，就像用机器语言来写计算机代码。他们希望，新方法能让DNA折叠术在面向使用终端时更加容易，就像高级计算机程序语言的出现，刺激了软件工程的进步。

　　戴茨把这项工总比作是孩子们玩“乐高”积木，他说：“你只需把组合零件设计成互补的就可以，而无需再摆弄碱基对序列让它们来连接零件。”