四種DNA自組裝和設計納米結構的尺寸和生產的論文方法解讀

科學家一直渴望利用自組裝來構建人造物體，以達到細胞或細胞器的尺寸和復雜性，以便為研究，工程和醫學應用構建合成的細胞機器。

iNature：自組裝過程以各種形式存在于自然界中，從分子水平的蛋白質折疊和形成脂雙層到建立地球的整個生物系統。 科學家一直渴望利用自組裝來構建人造物體，以達到細胞或細胞器的尺寸和復雜性，以便為研究，工程和醫學應用構建合成的細胞機器。 在這個問題上，Nature的四篇論文通過報告擴大DNA自組裝和設計納米結構的尺寸和生產的方法來解決這個目標。

生物聚合物如DNA，RNA和蛋白質都被用作構建納米尺度結構的基石，調節生物體的功能。 DNA是最有用的納米級構建模塊，因為它具有幾個優點 - 特別是其可編程性，其來源于在互補DNA鏈的堿基之間形成的可預測和穩定的配對結構。 此外，DNA結構穩定，雙螺旋的幾何特征得到了很好的研究，并且與其他生物分子相容，這就允許構建功能復雜的“異質生物材料”。 已經開發了各種DNA自組裝方法，用于構建展現出大的幾何復雜性和納米級精度的合成結構。

Fractal assembly of micrometre-scale DNA

DNA納米技術的里程碑之一就是DNA納米孔材料的發明。 在這種技術中，長的單鏈DNA在數百個稱為“釘書針”的短DNA鏈的幫助下被折疊成目標形狀。 短鏈被設計成與長DNA的特定區域互補，從而引導折疊過程。 已經使用這種技術制造了各種2D和3D納米物體。 其中許多是完全可定位的; 也就是說，他們可以在選定的位置進行修改，以滿足未來應用的需要。 然而，單個DNA折紙納米結構的尺寸受限于它們所構建的支架DNA的長度。 例如，一種廣泛使用的支架是長約7200個核苷酸的基因組DNA，可折疊成直徑不超過100納米的折紙結構。

DNA納米技術的另一個重要設計策略是單鏈瓦（SST）組裝，其中SSTs-由單鏈DNA形成的納米級二維矩形或三維磚通過形成DNA雙鏈而彼此互鎖 在他們的界面。 SST的集合被用來形成2D圖紙或3D圖塊，通過簡單地包含或省略特定的SST，可以選擇性地“雕刻”以創建不同的圖案和形狀。 但是用這種方法產生的DNA結構的大小通常與折紙納米結構的大小相當; 較大的結構已經準備好，但合成效率很低。 在這個問題上報道的論文基于SST和折紙策略來制造微米尺寸的結構，并擴大可生產的數量。

Gigadalton-scale shape-programmable

Tikhomirov等人使用以表面圖案（由折紙表面延伸的DNA鏈形成）構成的方形DNA折紙作為構建單位，以創建直徑約半微米的二維DNA折紙陣列（圖1a）。 方形折紙通過在它們的界面處形成短DNA雙鏈體而連接在一起。 為了對方形折紙之間的相互作用進行編程，作者開發了一種分形方法，其中局部裝配規則被遞歸地用于組裝越來越多的方形折紙陣列的多步驟過程。 Tikhomirov及其同事還制作了名為FracTile Compiler的設計軟件，這將能夠設計出DNA序列和實驗程序來制作大型DNA模式。 作者通過使用它制作了幾張DNA“圖片”，包括蒙娜麗莎，一只公雞和一個國際象棋游戲模式，驗證了這一自動設計過程。

圖.1 制造微米級DNA物體的方法

Wagenbauer等使用另一種分層自組裝方法（圖1b），制作了尺寸達微米級的3D DNA折紙結構。 他們用一個V形的DNA折紙物體作為基本的構件，其中V的角度可以改變。 通過控制構件之間的幾何關系和相互作用，可以構建高階組件。 作者通過構建直徑達350nm的堆疊平面環和直徑達450nm的三種多面體構建微米級長管（類似于一些細菌的尺寸）證明了其方法的能力。

Ong等報道了一種方法，可以在微米級進行3D SST DNA構建（圖1c）。 通過擴展第一代SST系統的原理，作者設計了由52個核苷酸組成的磚狀DNA構建模塊，其中含有4個13個核苷酸的結合結構域。 這些領域使磚塊能夠組裝成更大的結構。 與第一代磚塊（含有四個結合域，每個由八個核苷酸組成）相比，DNA磚塊的較長結合域為較大的組裝結構提供更好的產量和穩定性。 作者開發了稱為Nanobricks的軟件來設計制作目標3D對象所需的磚鏈，并用它來規劃一組不同復雜體系結構的綜合。

Programmable self-assembly of three-dimensional nanostructures

Praetorius等人報道的生物技術將大大降低通常用于制造DNA折紙的數百個主鏈的成本。 他們使用被稱為噬菌體的病毒來產生含有數百個短鏈序列的單鏈前體DNA。 這些序列被切割自身的“DNAzyme”序列分開; 裂解產物然后自組裝成指定的DNA折紙形狀。 值得注意的是，作者的方法將折疊的DNA折紙結構的成本從約每毫克200美元降低到約20美分。 這一戰略將實現DNA折紙和SST結構的可擴展和高效的大規模生產，從而實現大規模應用，如治療，藥物輸送系統和納米電子設備。

Biotechnological mass production

這些論文還為生物分子工程領域的長期挑戰提供了解決方案，提供了從較小的構建塊制造自組裝結構的低成本方法，其尺寸可以使用互補的“自頂向下”技術 （那些用散裝材料雕刻結構的）。 此外，所報道的DNA結構足夠大以使得能夠與細胞相互作用用于治療應用的裝置的生產，或制造用于制造合成聚合物或程序細胞 - 細胞相互作用的復雜分子機器和裝配線。 這樣的自組裝結構甚至可以用于合成細胞器以監測和調節活細胞中生物過程的系統。