Science:华人DNA“建筑师”的新成果

2014-3-17 13:02 来源: 生物通
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  哈佛医学院,Wyss研究所的科学家们,构建了一系列自组装的DNA笼。这些结构是目前最大也最复杂的纯DNA结构,相当于细菌宽度的十分之一。这项研究发表在本周的Science杂志上。

  此外,科学家们还利用以DNA为基础的超高分辨率显微技术,首次获得了单个DNA结构在天然条件下的超清晰3D光学图像。

  未来,人们可以利用这种DNA笼将药物递送到患病组织。此外,这种结构里面还可以装上化学挂钩,与蛋白或金纳米颗粒相连。在此基础上,科学家们可以实现多种技术,包括微型发电机、微型化合物生产装置、甚至构建高灵敏的光学感应器检测异常组织产生的分子。

  “我很看好这一技术的发展潜力,”领导这项研究的华裔科学家印鹏(Peng Yin,音译)说。这位科学家曾荣获2010年美国NIH院长创新奖,近年来接连发表了多篇Nature,Science文章。

  DNA建筑师

  众所周知,DNA携带着遗传信息。不过,DNA纳米技术领域的科学家们,正通过编辑DNA序列,构建具有多种用途的微小结构。目前这一领域的研究者大多使用DNA折纸技术,即用短链DNA将长链钉住,使其折叠成为特定的结构。

  而印鹏的研究团队之前开发了另一种构建方案,他们将模块化的单链DNA当作乐高积木,组装成为不同的结构,与乐高积木不同的是DNA模块可以自行组装。

  有时,人们可能需要更大的DNA结构。于是研究人员开始寻找更大的“积木”。

  设计难点

  研究人员先通过DNA折纸,构建了大块的DNA三脚架结构。他们希望能将这些三脚架对接成为多面体。

  但印鹏和文章的三位第一作者(Ryosuke Iinuma、Yonggang Ke和Ralf Jungman)发现,三脚架的腿容易倾斜和摇摆,根本无法形成多面体。不过这个问题很快得到了解决,研究人员在两条腿之间构建了水平支柱进行稳定。

  这种水平支柱利用了DNA互补链可以配对并粘合的特点,研究人员先在三脚架的一条腿附上DNA标签,然后再另一条腿上附上与之互补的标签。这些稳定的三脚架随后可以自组装成为特定类型的三维多面体。

  通过调节水平支柱的长度,研究人员可以控制三脚架的角度,构建不同的多面体。他们总共构建了五种多面体,分别是四面体、三棱柱、立方体、五棱柱和六棱柱。

  超清晰图像

  为了观察上述结构,研究人员开发了一种基于DNA的显微成像法——DNA-PAINT。在这一方法中,经修饰的DNA短链可在整体结构上形成闪光点,这种闪光图像达到了传统光学显微镜无法企及的清晰度。在DNA-PAINT的帮助下,研究人员首次在天然的溶液环境中,获得了单个DNA三维结构的朝清晰图像。