Science：重大進展！開發出單鏈DNA/RNA折紙術

來源：作者：人氣：-發表時間：2017-12-21 09:20:00【大中小】

一個新浮現的領域是DNA折紙術（DNA origami）。DNA折紙術科學家們正在夢想著各種各樣的比人的頭發小一千倍的形狀，并希望這些形狀有朝一日引發計算、電子學和醫學變革。

如今，在一項新的研究中，來自美國亞利桑那州立大學和哈佛大學的研究人員在DNA納米技術上取得一項重大的新進展。他們開發出的一種被稱作單鏈折紙術（single-stranded origami, ssOrigami）的新策略使用長而細的面條狀的單鏈DNA或RNA，它們能夠自我折疊成迄今為止最大最復雜的而且沒有拓撲結的結構。相關研究結果發表在2017年12月15日的Science期刊上，論文標題為“Single-stranded DNA and RNA origami”。論文通信作者為哈佛大學的Peng Yin、亞利桑那州立大學的Fei Zhang和Hao Yan。

DNA折紙術
圖片來自Biodesign Institute, Arizona State University。

形成這些結構的單鏈DNA或RNA能夠在活細胞中產生，或者在試管中利用酶制造出，從而允許科學家們有潛力即插即用納米藥物的新設計和功能，比如將細胞中的藥物運送到損傷部位的微型納米機器人。

Yan說，“我們總是受到大自然設計的啟發來制造攜帶信息的分子，這些分子能夠自我折疊成為我們想要的納米形狀。”

作為概念驗證，他們挑戰極限，制造出表情符號般的笑臉、心形和三角形，總共18種形狀。

尺寸比較重要

迄今為止，DNA納米技術科學家們不得不依靠兩種主要的方法來制造具有有限尺寸的空間可尋址的結構。

第一種方法是分子磚（molecular brick），即能夠折疊在一起形成一種結構的小而短的DNA片段。第二種方法是DNA支架（scaffolded DNA），在這種DNA支架中，通過使用輔助性的DNA鏈，讓單鏈DNA形成一種結構，其中這些輔助性的DNA鏈將這種結構固定在原位。

Zhang說，“就合成而言，這兩種方法的可擴展性都不太好。當你具有如此多的短鏈DNA時，你不能夠利用生物系統對它們進行復制。解決這個問題的一種方法是設計一條能夠自我折疊成任何結構的長鏈DNA。”

此外，這兩種方法都具有局限性，這是因為隨著這種結構的尺寸在增加，正確折疊的能力變得更具挑戰性。

如今，有了第三種新的方法。

為了取得突破，Yan和他的團隊從自然中尋求靈感。他們找到了以復雜的結構存在的RNA。迄今為止發現的復雜RNA結構含有單鏈RNA分子，它們自我折疊成沒有任何拓撲結的結構。這個技巧能夠適用于單鏈DNA或RNA折紙術嗎？

為了開發完全可編程的單鏈折紙術，他們能夠破解RNA如何產生復雜結構的密碼。

Yan說：“我們的研究的關鍵創新是使用單鏈DNA/RNA來構建一個結構復雜而無拓撲結的結構，這種結構能夠由單鏈DNA/RNA平滑地折疊而成。這給我們提供了一個設計策略，從而允許我們將一條長鏈DNA/RNA折疊成復雜的結構。”

Yan說，“在來自我的團隊的一名計算機科學家的幫助下，我們也能夠將這種設計過程編寫成一種數學嚴格的正式算法，并且通過開發用戶友好的軟件工具來自動化設計。”針對單鏈DNA的軟件稱為DNA ssOrigami，針對單鏈RNA的軟件稱為RNA ssOrigami，詳情可參見網站：http://dna.kwonan.com/。

他們通過自動化設計和實驗性地構建4種不同的DNA ssOrigami結構（4種菱形和兩種心形）對這種算法和軟件進行驗證。

形狀和功能

利用DNA做出靈巧的圖案和笑臉是一回事，但是DNA折紙術的批評者一直想要知道它的實際應用何時會出現。

如今，這是有可能出現的。Yan說，“我認為我們更接近這種技術的真正實際應用。我們正在利用我們的ssOrigami技術積極地研究它的第一個納米醫學應用。”

他們也能夠證實一種折疊的ssOrigami結構能夠解鏈，用作試管中的DNA復制酶的擴增模板，而且能夠在活細胞中通過克隆生產復制和擴增用于ssOrigami中的單鏈DNA。

Yan說，“通過自折疊形成的單鏈DNA納米結構具有可擴增的、可復制的和可克隆的更大潛力，因而有機會利用酶復制和生物復制進行成本節約的大規模生產，以及利用體外進化方法有可能產生復雜的表型和功能。”

這些相同的設計規則也能夠用于RNA中。

單鏈折紙術的一個關鍵設計特點是單鏈DNA能夠在實驗室和活細胞中制造出，隨后通過對它進行解鏈和退火，讓它折疊成定制的結構。

在實驗室中，他們利用擴增DNA序列的PCR技術擴增單鏈DNA（ssDNA）。在活細胞中，他們首先將ssDNA放置在被稱作質粒的分子克隆載體中，隨后將這種質粒導入常見的大腸桿菌細胞中。當他們利用酶處理大腸桿菌細胞時，ssDNA就會被釋放出來，他們將它分離出來，隨后讓它折疊成靶結構。

Yan說，“鑒于質粒DNA能夠很容易地在大腸桿菌中復制，就能夠低成本地培養大量的大腸桿菌細胞來擴大產量。”這就避免了必須在實驗室中從頭開始合成全部DNA的限制，因而它的成本要低很多。

如今，他們正在努力研究他們是否能夠潛在地在細胞中制造這些結構。

Yan說，“在這項研究中，我們展示了利用細菌制造單鏈DNA的過程，但是仍然需要在細菌外進行退火來產生靶結構。理想的情形是設計能夠在細菌中進行轉錄和折疊的RNA序列，這樣我們就能夠使用細菌作為納米材料制造工廠。”

在這項研究中，他們展示了一種設計單鏈DNA或RNA并讓其高效地自我折疊成為沒有拓撲結的緊湊的ssOrigami結構的框架，這就使得產生任意用戶指定的目標形狀成為可能。

“它的單鏈性使得人們能夠在體外和活細胞中輕松地復制這種單鏈，而且它的可編程性讓我們能夠對這種設計過程編寫代碼，和開發一種簡單的基于網絡的自動化設計工具。”

文章來源

Dongran Han, Xiaodong Qi, Cameron Myhrvold et al. Single-stranded DNA and RNA origami. Science, 15 Dec 2017, 358(6369):eaao2648, doi:10.1126/science.aao2648