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MIT开发出用DNA做材料的纳米级3D打印技术

发布时间:2019-11-16 03:52:38

近日,麻省理工学院(MIT)的生物工程师们开发出了一种新的计算机模型,该模型使他们能够设计出有史以来最为复杂的三维DNA形状,包括戒指、碗,以及二十面体的几何形状。

这种技术能够让研究人员根据需要制造出DNA支架来固定被称为载色体的蛋白质和感光分子阵列,该载色体主要用来模仿植物细胞中的光合作用蛋白;或创建新的药物运载工具,以及RNA疗法等,MIT生物工程助理教授MarkBathe说。

“总的想法是使用DNA在纳米尺度上立体地组织蛋白、载色体、RNA和纳米颗粒。将精确的纳米级控制用于3D结构正是这种方法独一无二的核心所在。”Bathe说。他是12月3日在《NatureCommunications》上发表的关于这一技术论文的高级作者。

该论文的第一作者是博士后KeyaoPan和前MIT博士后Do-NyunKim。Kim如今是韩国首尔国立大学的教师。论文的其他作者还有MIT研究生MatthewAdendorff和亚利桑那州立大学的HaoYan教授和研究生FeiZhang。

设计DNA的3D结构

由于DNA十分稳定,并且可以很容易地通过改变其序列进行编程,许多科学家认为这是纳米级结构的一种理想的建筑材料。大约在2005年,科学家们开始使用一种被称为DNA折纸(DNAorigami)技术的方法,用DNA制造一些微小的二维结构。所谓“DNA折纸技术”就是将天然DNA单链中的长链进行反复折叠,并用短链加以固定,由此就能绘出方形、星形等一系列DNA图形。这种做法后来被扩展到三维空间。

不过设计这些DNA形状十分繁琐和耗时,并且合成和用实验验证它们也相当昂贵、缓慢。因此,研究人员,包括Bathe在内,都需要开发计算机模型以辅助设计。2011年,Bathe和同事们就弄出了一个名为CANDO程序,可以生成3D结构的DNA,但它只能生成有限类型的形状。

在最新的论文中,Bathe和同事们开发的新的计算机算法,可以通过对DNA支架(DNAscaffold)和短链进行排序,预测任意编程的DNA组件的3D结构。通过该模型,他们能够创建出比以前更加复杂的结构。

新方法依赖于将DNA序列切开分离,形成一种子部件——多路连接(multi-wayjunctions),这是构建可编程的DNA纳米结构最基本的构建模块。这些连接与那些在DNA复制过程中自然形成的连接类似。

在把DNA切成这些更小的多路连接之后,Bathe的程序随后通过计算将它们重新组合成较大的编程组件,如戒指、光盘、球形的容器,当然,这些东西都是纳米级的。通过对这些DNA组件的序列进行编程,设计师们可以很容易地创建出任意复杂的结构,包括对称笼如四面体、八面体、十二面体等。

“最重要的是我们认识到了可以切断这些DNA连接,然后根据计算机预测的3D结构重新组装它们。”Bathe说。“通过计算机预测其3-D结构是这中间的重中之重,只有这样我们才能实现不同的功能应用,因为生成3D结构的目的是为了实现功能,而不是单纯的DNA排序。”

新的程序使得研究人员能够设计出比CANDO程序更多的3D结构,加州理工学院的资深研究员PaulRothemund说。他并不是该研究团队的成员。

“由于DNA纳米技术领域内目前使用的分子大部分无法使用CANDO程序生成,因此Bathe他们的这一成果将非常受欢迎。”Rothemund说。

研究人员计划在未来数个月内公开发布自己的算法,使其他DNA设计师也可以从中受益。在该模型的当前版本中,设计者必须自己指定DNA序列,Bahte希望尽快开发一个新版本,在这个版本中设计人员只需简单地给出特定形状,计算机就能自动生成DNA序列。这将使纳米尺度的3D打印更为可靠,这里的3D打印“墨水”就是是人工合成的DNA。

3D打印DNA结构的应用:分子支架及纳米级模具

一旦研究人员能够使用DNA3D打印纳米尺度的任意几何形状,他们就能将其与其他种类的分子结合并将产生许多不同的应用。“这些DNA对象是被动的结构支架。”Bathe说,“它们的功能来自与之相连接的其它分子。”

Bathe正在进行研究的一类分子是捕光分子,又被称为载色体(chromophores),这是光合作用的重要组成部分。在活细胞中,这些分子分布在蛋白质骨架上,但蛋白质较难制造成纳米级组件,所以Bathe的研究小组正在试图用DNA来模仿蛋白质的支架结构。

另一种可能的应用是设计某些特殊的支架,使得研究人员可以用来模仿由多个蛋白质亚基组成的细菌毒素组件。例如,志贺菌(Shiga)毒素是由5个蛋白亚基按照一种特定的五聚体结构形成的,这种结构使得它能够偷偷进入细胞。如果研究人员能够复制出这样的结构,他们就可以制造出被去掉毒性的志贺菌,然后用它作为载体向细胞内运送药物或信使RNA。

“这种亚基是进入细胞非常有效的方式,而且在某种程度上,不会引起排异反应,或者导致其被细胞的机制降解。”Bathe说。“使用DNA,我们可以建立一种支架,并将其作为运输工具,来输送其他东西,比如小分子RNA、mRNA、癌症药物和其他药物。”

此外,研究人员还使用的DNA的纳米结构作为模具来生成金或其他金属的细小颗粒。在最近发表的科学论文中,Bathe及其在哈佛大学Wyss生物工程研究所的同事们已经证明,用DNA制成的模具可以将黄金和白银铸造成立方体、球体和更复杂的结构,如Y形的颗粒等。这种方法利用了DNA的光学性能进行编程,可通过计算机模型来预测。这种方法提供了一种“按需制造”纳米粒子的设计与合成工艺,在纳米科学和技术领域有着广泛的应用前景。

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