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新葡亰496net任何人都足以做的DNA设计

麻省理工学院和亚利桑那州立大学的研究人员设计了一个计算机程序,允许用户将任何自由形式的图形转换为由DNA构成的二维纳米级结构。

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到目前为止,设计此类结构需要技术专业知识,使大多数人无法接触到这一过程。使用这个新程序,任何人都可以创建任何形状的DNA纳米结构,用于细胞生物学,光子学,量子传感和计算等应用。

线框式DNA纳米结构

利用DNA重现的梵高《星月夜》作品。图片来源:Ashwin Gopinath/Caltech

麻省理工学院生物工程副教授,该研究的资深作者马克巴特说:“这项工作的作用是允许任何人从字面上绘制任何二维形状并自动将其转换为DNA折纸。”

DNA是一种传递生命密码的神奇物质,它为人所熟知的是双螺旋结构,时至今日,这种生命的分子竟然会变得如此富有创意。

300多个研究小组正试图利用DNA碱基配对属性,目的是将分子作为一种建筑材料而非遗传信息的携带者进行处理。

研究人员在1月4日出版的“科学进展”杂志上发表了他们的研究结果,该计划名为PERDIX,可在线获取。该论文的主要作者是麻省理工学院博士后的Hyungmin
Jun和亚利桑那州立大学助理研究教授Fei
Zhang。其他作者是麻省理工学院研究助理Tyson
Shepherd,最近麻省理工学院博士研究生Sakul
Ratanalert,ASU助理研究科学家Xiaodong Qi和ASU教授Hao Yan。

清华大学生命科学学院魏迪明分子设计课题组和清华大学医学院向烨课题组在《自然·通讯》杂志上发表论文称,他们以DNA简单分支作为结构单位,构建了管状结构、多面体和多层三维阵列结构等复杂结构,这使得核酸分子设计的最初蓝图得以实现。

新葡亰496net,文森特·梵高的《星月夜》是后印象派艺术的经典。自从这位荷兰艺术家在1889年创作了《星月夜》,画中那些异想天开的漩涡便令艺术爱好者痴狂。2016年,美国加州理工学院生物工程师Ashwin
Gopinath重建了这幅作品。不过,他用DNA而非油墨绘制了画作的副本。

自动化设计

澳门葡京手机版app,把DNA自组装成所需二维图案

Gopinath的创作绘制在硅片上,展现了材料科学曾经很不起眼的分支——DNA纳米技术正在崛起。该领域出现于上世纪90年代。当时,科学家开始设计纳米尺度机器。如今,300多个研究小组正试图利用DNA碱基配对属性,目的是将分子作为一种建筑材料而非遗传信息的携带者进行处理。

DNA折纸是将DNA折叠成微小结构的科学,起源于20世纪80年代早期,当时纽约大学的Ned
Seeman提出利用DNA的碱基配对能力来创造任意的分子排列。2006年,加州理工学院的Paul
Rothemund创造了第一个支架式二维DNA结构,通过编织长的单链DNA(支架)形状,使得被称为“主食”的DNA链与其杂交以帮助整体结构保持其形状。

作为一种天然的生物大分子,DNA不仅是生命的密码,还可作为制造纳米级构件和机器的通用元件。由于DNA的尺寸为纳米级别,具有刚性结构、编码性强的特点,于是,DNA纳米技术的研究者利用DNA分子的自组装特性,根据核酸碱基互补配对的作用,设计并在试管中构造出精确而复杂的、纳米级精度的有序结构。这种DNA纳米结构还可以在特定的位置对DNA链进行修饰,使之作为支架引导其他分子或纳米材料进行可控的自组装。

“一旦我们开始意识到可以利用DNA中的信息构建物体,一连串的创作活动便由此开启。”被普遍认为是DNA纳米技术开创者的纽约大学合成化学家Ned
Seeman表示。

其他人后来使用类似的方法来创建复杂的三维DNA结构。然而,所有这些努力都需要复杂的手工设计以使支架穿过整个结构并产生短纤维束的序列。2016年,Bathe和他的同事开发了一种自动生成三维多面体DNA结构的方法,在这项新研究中,他们开始自动设计任意二维DNA结构。

这一新兴的领域被称为DNA折纸技术。折纸是指人们能用一张纸,就可折叠出飞机、青蛙和花朵。同样的,发明DNA折纸技术的科学家使用比头发丝还细一千倍的DNA和RNA等核酸分子,折叠、自组装成复杂的结构。而当DNA中互补的核苷酸碱基接触并结合时,就会产生这样的结果。

构建策略

为了实现这一目标,他们开发了一种新的数学方法,用于将单链支架穿过整个结构以形成正确的形状。得到的计算机程序可以采用任何自由形式的绘图并将其转换为DNA序列以创建该形状并进入主链的序列。

2006年,加州理工学院的科研团队通过DNA折纸术,选用噬菌体M13的基因组DNA作为长链,然后用两百多条短的单链DNA通过碱基互补配对原则,“钉”在长链构成的支架上,将长链折叠成想要的矩形、三角形、五角星和笑脸等多种二维平面图案。

在细胞分裂期间,DNA形成被称为霍利迪连结体的四链中间体。这种结构是不稳定的,并且会迅速瓦解成双链螺旋。上世纪80年代早期,Seeman通过将交叉点处每条链的序列相互配对,成功地让这种结构保持稳定。他继续创造出拥有6条链的交叉点,从而形成了首个3D形式的分支状DNA结构。一系列愈发复杂的设计随之而来:1991年是树枝状立方体,1998年是分支状DNA晶体,2005年是DNA管道。

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