我国DNA纳米技术研究不断取得新突破

2010-12-29 09:24 来源: 科学时报
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应用前景广阔的新兴领域

  DNA纳米技术是利用DNA的分子性质,如自组装的特性,构建出可操控的新型纳米尺度聚集体或超分子结构。此时,DNA的作用不是遗传物质,而是作为结构模板,或是作为计算工具。

  DNA纳米技术是一个新兴研究领域,具有广阔的发展前景。2006年,加州理工学院博士Rothemund发展出了DNA折纸术(Nature,2006),被誉为DNA纳米技术领域的一个重要里程碑。相关技术被美国《大众机械》杂志评为2010年十大科技发展趋势之一。

  目前,DNA纳米技术已被应用到生物、医学检测,新材料开发,DNA计算机等多个领域。IBM公司正在利用DNA纳米技术研制新型芯片;在芯片上,电子线路间的距离将仅仅为6纳米左右,远远低于目前45纳米的标准。利用这种技术,IBM公司将研制出更小、更便宜的微处理器芯片。

二维“DNA中国地图”诞生
 

  在这场激烈的竞争中,上海交通大学Bio-X研究院、中国科学院上海应用物理研究所等在DNA纳米技术研究方面不断取得新突破。

  2006年,在中国科学院院士贺林的领导下,上海交大Bio-X研究院开创性地“创作”出一幅长150纳米、宽120纳米、厚2纳米,分辨率6纳米的“DNA中国地图”,人眼必须通过原子力显微镜才能看见。它是世界上第一个不对称的二维DNA图形。在此之前,科学家们曾用DNA折叠出数种图形,但都不曾达到如此复杂的程度,更不曾尝试过这种非对称的二维形状。

  “DNA中国地图”证明,DNA折纸术具有构造任何复杂二维纳米级形状的能力。该项成果有助于解决集成电路产业目前在最小加工尺度上遇到的瓶颈,触发纳米加工的新革命。同年,上海交大Bio-X研究院构建出完全由DNA碱基构成的逻辑门,实现了DNA计算领域的一项重大突破,文章发表在国际学术期刊《德国应用化学》上。2007年,基于DNA线性自组装的加法策略,上海交大Bio-X研究院率先展示了第一台实体雏形DNA计算机。

实现三维DNA结构的突破

  2010年,上海交大Bio-X研究院更是硕果累累。上海世博会期间,该院科研人员李璨等把DNA链像搭积木一样组装拼接,设计出三维DNA结构——世博会中国馆,实现了二维DNA图形到三维DNA结构的突破。

  近期,在贺林带领下,李璨、樊春海、张钊等开发的“DNA纳米中国芯”可以在溶液中的纳米级“中国地图”表面实现可寻址的高灵敏基因检测,实现了对单碱基多型性(SNP)的高特异性分辨,为DNA纳米技术在医学、遗传学等领域的实际应用迈出重大一步。“这一工作很可能孕育着一场纳米技术的革命”。相关工作发表在国际学术期刊《先进材料》上,以及作为封面论文发表在纳米技术领域影响很大的Small杂志上。

  由于复杂结构中DNA走向设计的工作量非常大,最近,李璨等开发了完全自动设计DNA自组装纳米结构的网络服务器,把DNA结构设计简化到一名小学生坐在电脑前学几分钟就可以实现的程度。程序的名字叫minDNAno,是mind(头脑)加上nano(纳米科技nanotechnology)的简称,中间夹着DNA(脱氧核糖核酸),寓意它是像聪明人一样观察仔细、照顾细节的计算机程序——实现抓住一个来源于生活中的图像轮廓,制作一个和它一样的设计完整的DNA自组装结构。目前,进一步的工作仍在进行中。

  在尽可能精细的尺度上控制物质结构是化学、材料科学和纳米技术的一个主要目标。分子自组装代表了一种“自下而上”的制造高精度复合物的方法。DNA分子不仅是生命科学的“大红人”,而且是材料科学的潜力股,科学家将其视作塑造纳米材料的理想素材,在构建纳米元件和纳米尺度的医学检测芯片上具有重要应用。

  最近,中科院上海应用物理所物理生物学实验室和美国亚利桑那州立大学的研究人员合作发展了一种基于DNA纳米技术的三维DNA纳米结构探针,并在此基础上构建了一类新型生物传感平台,实现了对基因和蛋白质的高性能检测。相关论文发表在国际学术期刊《先进材料》上。研究人员进一步证明,此新型生物分子识别界面适用于电化学、表面等离子体共振、石英晶体微天平、微悬臂梁等一系列传感技术。这一平台技术可能会为生物传感领域打开一个新的研究契机。

  贺林表示:“我国科学家取得的‘DNA纳米中国芯’、DNA计算机逻辑门等重要成果,体现出了纳米技术、生物医学和计算科学等多学科交叉的合作效益。”