Science：重大進(jìn)展！開發(fā)出單鏈DNA/RNA折紙術(shù)

來源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2017-12-21 09:20:00【大中小】

一個(gè)新浮現(xiàn)的領(lǐng)域是DNA折紙術(shù)（DNA origami）。DNA折紙術(shù)科學(xué)家們正在夢想著各種各樣的比人的頭發(fā)小一千倍的形狀，并希望這些形狀有朝一日引發(fā)計(jì)算、電子學(xué)和醫(yī)學(xué)變革。

如今，在一項(xiàng)新的研究中，來自美國亞利桑那州立大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究人員在DNA納米技術(shù)上取得一項(xiàng)重大的新進(jìn)展。他們開發(fā)出的一種被稱作單鏈折紙術(shù)（single-stranded origami, ssOrigami）的新策略使用長而細(xì)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(fù)雜的而且沒有拓?fù)浣Y(jié)的結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2017年12月15日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Single-stranded DNA and RNA origami”。論文通信作者為哈佛大學(xué)的Peng Yin、亞利桑那州立大學(xué)的Fei Zhang和Hao Yan。

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

形成這些結(jié)構(gòu)的單鏈DNA或RNA能夠在活細(xì)胞中產(chǎn)生，或者在試管中利用酶制造出，從而允許科學(xué)家們有潛力即插即用納米藥物的新設(shè)計(jì)和功能，比如將細(xì)胞中的藥物運(yùn)送到損傷部位的微型納米機(jī)器人。

Yan說，“我們總是受到大自然設(shè)計(jì)的啟發(fā)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(yàn)證，他們挑戰(zhàn)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(shù)科學(xué)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(jié)構(gòu)。

第一種方法是分子磚（molecular brick），即能夠折疊在一起形成一種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，其中這些輔助性的DNA鏈將這種結(jié)構(gòu)固定在原位。

Zhang說，“就合成而言，這兩種方法的可擴(kuò)展性都不太好。當(dāng)你具有如此多的短鏈DNA時(shí)，你不能夠利用生物系統(tǒng)對它們進(jìn)行復(fù)制。解決這個(gè)問題的一種方法是設(shè)計(jì)一條能夠自我折疊成任何結(jié)構(gòu)的長鏈DNA。”

此外，這兩種方法都具有局限性，這是因?yàn)殡S著這種結(jié)構(gòu)的尺寸在增加，正確折疊的能力變得更具挑戰(zhàn)性。

如今，有了第三種新的方法。

為了取得突破，Yan和他的團(tuán)隊(duì)從自然中尋求靈感。他們找到了以復(fù)雜的結(jié)構(gòu)存在的RNA。迄今為止發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜RNA結(jié)構(gòu)含有單鏈RNA分子，它們自我折疊成沒有任何拓?fù)浣Y(jié)的結(jié)構(gòu)。這個(gè)技巧能夠適用于單鏈DNA或RNA折紙術(shù)嗎？

為了開發(fā)完全可編程的單鏈折紙術(shù)，他們能夠破解RNA如何產(chǎn)生復(fù)雜結(jié)構(gòu)的密碼。

Yan說：“我們的研究的關(guān)鍵創(chuàng)新是使用單鏈DNA/RNA來構(gòu)建一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而無拓?fù)浣Y(jié)的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠由單鏈DNA/RNA平滑地折疊而成。這給我們提供了一個(gè)設(shè)計(jì)策略，從而允許我們將一條長鏈DNA/RNA折疊成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。”

Yan說，“在來自我的團(tuán)隊(duì)的一名計(jì)算機(jī)科學(xué)家的幫助下，我們也能夠?qū)⑦@種設(shè)計(jì)過程編寫成一種數(shù)學(xué)嚴(yán)格的正式算法，并且通過開發(fā)用戶友好的軟件工具來自動化設(shè)計(jì)。”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(wǎng)站：http://dna.kwonan.com/。

他們通過自動化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)性地構(gòu)建4種不同的DNA ssOrigami結(jié)構(gòu)（4種菱形和兩種心形）對這種算法和軟件進(jìn)行驗(yàn)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(shù)的批評者一直想要知道它的實(shí)際應(yīng)用何時(shí)會出現(xiàn)。

如今，這是有可能出現(xiàn)的。Yan說，“我認(rèn)為我們更接近這種技術(shù)的真正實(shí)際應(yīng)用。我們正在利用我們的ssOrigami技術(shù)積極地研究它的第一個(gè)納米醫(yī)學(xué)應(yīng)用。”

他們也能夠證實(shí)一種折疊的ssOrigami結(jié)構(gòu)能夠解鏈，用作試管中的DNA復(fù)制酶的擴(kuò)增模板，而且能夠在活細(xì)胞中通過克隆生產(chǎn)復(fù)制和擴(kuò)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(jié)構(gòu)具有可擴(kuò)增的、可復(fù)制的和可克隆的更大潛力，因而有機(jī)會利用酶復(fù)制和生物復(fù)制進(jìn)行成本節(jié)約的大規(guī)模生產(chǎn)，以及利用體外進(jìn)化方法有可能產(chǎn)生復(fù)雜的表型和功能。”

這些相同的設(shè)計(jì)規(guī)則也能夠用于RNA中。

單鏈折紙術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)特點(diǎn)是單鏈DNA能夠在實(shí)驗(yàn)室和活細(xì)胞中制造出，隨后通過對它進(jìn)行解鏈和退火，讓它折疊成定制的結(jié)構(gòu)。

在實(shí)驗(yàn)室中，他們利用擴(kuò)增DNA序列的PCR技術(shù)擴(kuò)增單鏈DNA（ssDNA）。在活細(xì)胞中，他們首先將ssDNA放置在被稱作質(zhì)粒的分子克隆載體中，隨后將這種質(zhì)粒導(dǎo)入常見的大腸桿菌細(xì)胞中。當(dāng)他們利用酶處理大腸桿菌細(xì)胞時(shí)，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(jié)構(gòu)。

Yan說，“鑒于質(zhì)粒DNA能夠很容易地在大腸桿菌中復(fù)制，就能夠低成本地培養(yǎng)大量的大腸桿菌細(xì)胞來擴(kuò)大產(chǎn)量。”這就避免了必須在實(shí)驗(yàn)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(xì)胞中制造這些結(jié)構(gòu)。

Yan說，“在這項(xiàng)研究中，我們展示了利用細(xì)菌制造單鏈DNA的過程，但是仍然需要在細(xì)菌外進(jìn)行退火來產(chǎn)生靶結(jié)構(gòu)。理想的情形是設(shè)計(jì)能夠在細(xì)菌中進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和折疊的RNA序列，這樣我們就能夠使用細(xì)菌作為納米材料制造工廠。”

在這項(xiàng)研究中，他們展示了一種設(shè)計(jì)單鏈DNA或RNA并讓其高效地自我折疊成為沒有拓?fù)浣Y(jié)的緊湊的ssOrigami結(jié)構(gòu)的框架，這就使得產(chǎn)生任意用戶指定的目標(biāo)形狀成為可能。

“它的單鏈性使得人們能夠在體外和活細(xì)胞中輕松地復(fù)制這種單鏈，而且它的可編程性讓我們能夠?qū)@種設(shè)計(jì)過程編寫代碼，和開發(fā)一種簡單的基于網(wǎng)絡(luò)的自動化設(shè)計(jì)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