Science：华人DNA“建筑师”的新成果

　　

生物通报道：哈佛医学院，Wyss研究所的科学家们，构建了一系列自组装的DNA笼。这些结构是目前最大也最复杂的纯DNA结构，相当于细菌宽度的十分之一。这项研究发表在本周的Science杂志上。

此外，科学家们还利用以DNA为基础的超高分辨率显微技术，首次获得了单个DNA结构在天然条件下的超清晰3D光学图像。

未来，人们可以利用这种DNA笼将药物递送到患病组织。此外，这种结构里面还可以装上化学挂钩，与蛋白或金纳米颗粒相连。在此基础上，科学家们可以实现多种技术，包括微型发电机、微型化合物生产装置、甚至构建高灵敏的光学感应器检测异常组织产生的分子。

“我很看好这一技术的发展潜力，”领导这项研究的华裔科学家印鹏（Peng Yin，音译）说。这位科学家曾荣获2010年美国NIH院长创新奖，近年来接连发表了多篇Nature，Science文章。

DNA建筑师

众所周知，DNA携带着遗传信息。不过，DNA纳米技术领域的科学家们，正通过编辑DNA序列，构建具有多种用途的微小结构。目前这一领域的研究者大多使用DNA折纸技术，即用短链DNA将长链钉住，使其折叠成为特定的结构。

而印鹏的研究团队之前开发了另一种构建方案，他们将模块化的单链DNA当作乐高积木，组装成为不同的结构，与乐高积木不同的是DNA模块可以自行组装。（该团队其他成果：青年华裔学者Science封面获技术突破）

有时，人们可能需要更大的DNA结构。于是研究人员开始寻找更大的“积木”。

设计难点

研究人员先通过DNA折纸，构建了大块的DNA三脚架结构。他们希望能将这些三脚架对接成为多面体。

但印鹏和文章的三位第一作者（Ryosuke Iinuma、Yonggang Ke和Ralf Jungman）发现，三脚架的腿容易倾斜和摇摆，根本无法形成多面体。不过这个问题很快得到了解决，研究人员在两条腿之间构建了水平支柱进行稳定。

这种水平支柱利用了DNA互补链可以配对并粘合的特点，研究人员先在三脚架的一条腿附上DNA标签，然后再另一条腿上附上与之互补的标签。这些稳定的三脚架随后可以自组装成为特定类型的三维多面体。

通过调节水平支柱的长度，研究人员可以控制三脚架的角度，构建不同的多面体。他们总共构建了五种多面体，分别是四面体、三棱柱、立方体、五棱柱和六棱柱。

超清晰图像

为了观察上述结构，研究人员开发了一种基于DNA的显微成像法——DNA-PAINT。在这一方法中，经修饰的DNA短链可在整体结构上形成闪光点，这种闪光图像达到了传统光学显微镜无法企及的清晰度。在DNA-PAINT的帮助下，研究人员首次在天然的溶液环境中，获得了单个DNA三维结构的朝清晰图像。

 

生物通编辑：叶予

生物通推荐原文摘要：

Polyhedra Self-Assembled from DNA Tripods and Characterized with 3D DNA-PAINT

DNA self-assembly has produced diverse synthetic three-dimensional polyhedra. These structures typically have a molecular weight no greater than 5 megadaltons (MD). We report a simple, general strategy for one-step self-assembly of wireframe DNA polyhedra that are more massive than most previous structures. A stiff three-arm-junction DNA origami tile motif with precisely controlled angles and arm lengths was used for hierarchical assembly of polyhedra. We experimentally constructed a tetrahedron (20 MD), a triangular prism (30 MD), a cube (40 MD), a pentagonal prism (50 MD), and a hexagonal prism (60 MD) with edge widths of 100 nanometers. The structures were visualized by transmission electron microscopy and by three-dimensional DNA-PAINT super-resolution fluorescent microscopy of single molecules in solution.