软件可以让研究人员用 DNA 创建微小的圆形物体

惊叹于杜克大学和亚利桑那州立大学研究实验室出现的微小纳米级结构，很容易想象您正在浏览世界上最小的陶器目录。

一篇新论文揭示了团队的一些创作：小巧的花瓶、碗和空心球体，一个藏在另一个里面，就像俄罗斯套娃的家居用品。

但是，研究人员不是用木头或粘土制造它们，而是用线状 DNA 分子设计这些物体，将其弯曲并折叠成具有纳米精度的复杂三维物体。

这些创作展示了杜克博士开发的新开源软件程序的可能性。学生傅丹和他的导师约翰雷夫。该软件于 12 月 23 日在《科学进展》杂志上进行了描述，它可以让用户绘制圆形的图纸或数字模型，并将它们转化为由 DNA 构成的 3D 结构。

DNA 纳米结构由共同作者 Raghu Pradeep Narayanan 和 Abhay Prasad 在亚利桑那州立大学 Hao Yan 教授的实验室组装和成像。每个微小的空心物体的直径不超过百万分之二英寸。超过 50,000 个可以装在一根针头上。

但研究人员表示，这些不仅仅是纳米雕塑。该软件可以让研究人员制造微型容器来运送药物，或制造用于铸造具有特定形状的金属纳米颗粒的模具，用于太阳能电池、医学成像和其他应用。

对大多数人来说，DNA 是生命的蓝图;所有生物的遗传指令，从企鹅到白杨树。但对于像 Reif 和 Yan 这样的团队来说，DNA 不仅仅是遗传信息的载体——它还是源代码和构建材料。

DNA 的遗传密码中有四个“字母”或碱基，它们在我们的细胞中以可预测的方式配对，形成 DNA 阶梯的梯级。研究人员采用了 DNA 的这些严格的碱基配对特性——A 与 T，C 与 G。通过设计具有特定序列的 DNA 链，他们可以对这些链进行“编程”，将它们拼凑成不同的形状。

该方法包括在数百条短 DNA 链的帮助下折叠一条或几条长的单链 DNA，数千个碱基，这些短 DNA 链与长链上的互补序列结合并将它们“固定”到位。

自 20 世纪 80 年代以来，研究人员一直在试验将 DNA 作为建筑材料。第一个 3D 形状是简单的立方体、金字塔、足球——具有粗糙和块状表面的几何形状。但是设计更类似于自然界中的曲面结构一直很棘手。该团队的目标是扩大这种方法可能的形状范围。

为此，Fu 开发了名为DNAxiS的软件。该软件依赖于 Yan在 2011 年描述的DNA 构建方法，Yan 20 年前在加入亚利桑那州立大学之前是杜克大学 Reif 的博士后。它的工作原理是将一条长长的 DNA 双螺旋盘绕成同心环，这些同心环相互堆叠以形成物体的轮廓，就像使用粘土圈来制作锅一样。为了使结构更坚固，该团队还可以用额外的层来加固它们以提高稳定性。

Fu 展示了他们可以制作的各种形状：圆锥形、葫芦形、三叶草叶形。DNAxiS 是第一个让用户自动设计此类形状的软件工具，它使用算法来确定将短 DNA“订书钉”放置在何处以将较长的 DNA 环连接在一起并将形状固定到位。

“如果数量太少，或者位置错误，结构就无法正确形成，”傅说。“在我们的软件出现之前，形状的曲率使这成为一个特别困难的问题。”

例如，给定一个蘑菇形状的模型，计算机会吐出一系列 DNA 链，这些链会自组装成正确的结构。一旦在试管中合成并混合了链，其余部分就会自行处理：通过加热和冷却 DNA 混合物，在短短 12 小时内“它有点神奇地折叠成 DNA 纳米结构，”Reif 说。

研究人员表示，他们的 DNA 设计软件在实验室或诊所的实际应用可能还需要数年时间。但“这是在新型三维结构的自动化设计方面向前迈出的一大步，”Reif 说。