华人DNA“建筑师”Science再发新成果

来自哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员，展示了一种新方法利用自然的构件DNA作为模具生成了限定形状和大小的3 D金属纳米颗粒。

　　

生物通报道  自哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员，展示了一种新方法利用自然的构件DNA作为模具生成了限定形状和大小的3 D金属纳米颗粒。

能够以金银为材料，用模子制造出具有精确设计3D形状的无机纳米颗粒是一个重大的突破，其有潜力推动激光技术、显微镜、太阳能电池、电子学、环境测试、疾病检测等领域的发展。

哈佛医学院Wyss生物启发工程研究所核心成员、系统生物学助理教授印鹏（Peng Yin，音译）说：“我们用僵直DNA制成的微小铸件装配出了我们数字化规划和设计出的、具有精确三维形状的金属纳米颗粒。”（延伸阅读：《自然》：看华裔学者玩转DNA积木 ）

Wyss研究小组将他们的结果发布在《科学》（Science）杂志上题为“Casting Inorganic Structures with DNA Molds”的研究论文中。麻省理工学院计算生物学和生物物理学实验室的Mark Bathe是这篇论文的共同资深作者。

印鹏说：“这篇论文的研究结果描述了DNA纳米技术以及无机纳米粒子合成方面取得的一个重大进展。”这是第一次采用一种常规策略制造出了用户指定3D形状，大小不到25纳米，具有高精度（小于5纳米）的无机纳米颗粒。一张纸大约是10万纳米厚度。

这一3D无机纳米颗粒首先是采用计算机设计软件构思并精心设计而成。利用这一软件，研究人员设计出了由线性DNA序列构建而成、具有理想大小和形状的三维“框架”，DNA序列以一种可预测的方式吸引并结合彼此。

论文的主要作者、Wyss分子系统实验室博士后学者孙维（Wei Sun，音译）说：“多年来，科学家们成功地采用各种策略用DNA制造出了复杂的3D形状。”例如，在2012年，Wyss研究小组展示了如何利用计算机辅助设计来构建出成百上千具有高精度的自组装一维、二维和三维DNA纳米形状。能够操控DNA设计出任意的纳米结构，鼓舞了Wyss研究小组想象利用这些DNA结构作为实用铸件或“模具”来构建无机物。

孙维说：“我们面临的挑战是要将这种3D几何控制转化为能够将这些结构铸入到其他不同的功能相关的材料，如金银中。”

正如所有的膨胀材料可以在模具内塑形，呈现定义的3 D形状，该Wyss研究小组着手在僵直DNA纳米结构的狭窄空腔中生成无机颗粒。

这种概念可以与日本的一种在玻璃立方体中培育西瓜的方法相比。通过在立方体状的玻璃盒内将西瓜种子培育至成熟，日本的农民制造出了立方体形状的西瓜，使得这种水果能够密集运输和储存。

Wyss的研究人员同样将极小的黄金“种子”种植到了他们精心设计的立方体形DNA模具的空腔中，然后刺激它生长。利用一种活化化学溶液，黄金种子可以生长并膨胀填满DNA框架中所有现有的空间，生长出具有与模具相同大小的立方形纳米颗粒，且可以独立控制颗粒的长宽高。

接下来，研究人员装配出了各种3D多边形、球形体和更多渴求的结构，例如3D Y形纳米颗粒和其他两种球体之间夹着一个立方形的结构，证实利用复杂的DNA模具设计可以塑造成不同结构的纳米颗粒。

尽管它们的尺寸极小，令人惊讶的是，DNA模具非常的坚固，能够承受膨胀无机材料带来的压力。虽然该研究小组选择的是黄金幼苗来铸造他们的纳米颗粒，通过DNA纳米铸造过程可以强行塑造出广泛的无机纳米颗粒。

一个非常有用的特性是，一旦铸入，这些纳米颗粒可以保留DNA模具框架作为外涂层，可以纳米级精度进行其他的表面修饰。这些涂层还可以帮助科学家们开发出高灵敏的、多元方法，结合DNA的化学特异性以及金属的信号读取来检测早期阶段的癌症和遗传疾病。DNA框架涂层可以很容易地快速分解和消除，生成纯金属导线和连接器，通过尽可能让这些颗粒导电可更好地满足他们的目的。例如用于非常小的纳米计算机和电子电路。

“DNA的一些特性使得它能够自组装和编码出一些生命构件，可以利用、改变以及重新设想这些特性来生成纳米制造无机材料。这种性能为从计算机小型化到能量及病原体检测等领域开启了全新的策略。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Casting inorganic structures with DNA molds

We report a general strategy for designing and synthesizing inorganic nanostructures with arbitrarily prescribed three-dimensional shapes. Computationally designed DNA strands self-assemble into a stiff “nano-mold” that contains a user-specified three-dimensional cavity and encloses a nucleating gold “seed”. Under mild conditions, this seed grows into a larger cast structure that fills and thus replicates the cavity. We synthesized a variety of nanoparticles with three nanometer resolution: three distinct silver cuboids with three independently tunable dimensions, silver and gold nanoparticles with diverse cross sections, and composite structures with homo-/heterogeneous components. The designer equilateral silver triangular and spherical nanoparticles exhibited plasmonic properties consistent with electromagnetism-based simulations. Our framework is generalizable to more complex geometries and diverse inorganic materials, offering a range of applications in biosensing, photonics, and nanoelectronics.