Science Advances：利用开源性软件完成DNA设计

杜克大学(Duke University)和亚利桑那州立大学(Arizona State University)实验室里出现的微小纳米结构让人惊叹不已，很容易想象你正在浏览世界上最小的陶器目录:小花瓶、小碗和小球体。但研究人员不是用粘土制作这些物体，而是用线状的DNA分子设计这些物体，将其弯曲和折叠成复杂的三维物体。这些发明展示了一种新的开源软件程序的可能性。

　　

   

   

图片:这些纳米结构不比病毒大，每一个都是用新的软件构建的，研究人员可以用同心DNA环设计物体。模型(上)与实物的电子显微镜图像(下)一起展示。    

资料来源:亚利桑那州立大学Yan实验室Raghu Pradeep Narayanan和Abhay Prasad提供。

杜克大学(Duke University)和亚利桑那州立大学(Arizona State University)研究实验室里出现的微小纳米级结构令人惊叹，你很容易想象自己正在浏览世界上最小的陶器目录。

一篇新论文揭示了这些团队的一些发明:小花瓶、碗和空心球体，一个藏在另一个里面，就像俄罗斯套娃的家庭用品。

但研究人员不是用木头或粘土制作这些物体，而是用线状的DNA分子设计这些物体，弯曲和折叠成复杂的三维物体，精度达到纳米级。

这些发明展示了杜克大学博士生Dan Fu和他的导师John Reif开发的一种新的开源软件程序的可能性。12月23日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的报道称，该软件允许用户绘制圆形图形或数字模型，并将其转化为DNA组成的3D结构。

DNA纳米结构由合著者Raghu Pradeep Narayanan和Abhay Prasad在亚利桑那州立大学的Hao Yan教授的实验室组装和成像。每个微小的空心物体直径不超过百万分之二英寸。一根针尖上就能装下5万多个。

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创造出运送药物的微型容器，或者为太阳能电池、医学成像和其他应用创造出铸造特定形状的金属纳米颗粒的模具。

对大多数人来说，DNA是生命的蓝图;所有生物的基因指令，从企鹅到杨树。但对于赖夫和严的团队来说，DNA不仅仅是遗传信息的载体——它是源代码和建筑材料。

在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一种可预测的方式配对，形成DNA阶梯的梯级。研究人员采用的正是DNA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“编程”这些链将自己拼凑成不同的形状。

这种方法包括折叠一条或几条单链DNA长片段(数千个碱基长)，借助几百条短DNA链与长链上的互补序列结合，并将它们“固定”在适当的位置。

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。最早的3D形状是简单的立方体、金字塔、足球——表面粗糙块状的几何形状。但要设计出更类似于自然界中发现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产生的形状的范围。

为此，研究人员开发了一款名为DNAxiS的软件。该软件依赖于Yan在2011年描述的一种DNA构建方法。20年前，Yan在加入亚利桑那州立大学之前，曾在杜克大学与Reif一起做博士后。它的工作原理是将长DNA双螺旋螺旋盘绕成相互堆叠的同心圆，形成物体的轮廓，就像用粘土线圈制作罐子一样。为了使结构更坚固，该团队还可以用额外的层来加固它们，以增加稳定性。

Fu向我们展示了它们能做出的各种形状:球果、葫芦、三叶草的形状。DNAxiS是第一个允许用户自动设计这种形状的软件工具，使用算法确定在哪里放置短的DNA“钉”，将较长的DNA环连接在一起，并保持形状不变。

“如果它们太少，或者它们在错误的位置，结构就不会正确形成，在我们的软件出现之前，形状的曲率使这个问题特别困难。”

例如，给定一个蘑菇形状的模型，计算机就会吐出一串DNA链，这些DNA链可以自我组装成正确的结构。一旦DNA链被合成并在试管中混合，剩下的事情就会自行解决:通过加热和冷却DNA混合物，在短短12小时内，“它就像魔法一样折叠成DNA纳米结构”。

研究人员说，他们的DNA设计软件在实验室或临床的实际应用可能还需要数年时间。但Reif说:“这在自动设计新型三维结构方面是向前迈出的一大步。”

本研究由美国国家科学基金会资助(1909848,2113941,2004250,1931487)。

文章标题

Automated Design of 3D DNA Origami With Non-Rasterized 2D Curvature