分享至
“DNA制造业”两大障碍被攻克
据物理学家组织网12月13日报道，最近，一个由德国慕尼黑工业大学(TUM)领导的国际研究小组，克服了DNA(脱氧核糖核酸)纳米技术进入现实应用的两个主要障碍：效率和质量。他们开发出一种DNA结构现实检查技术，使制造一批复杂DNA产品的时间从一个星期缩短到几分钟，而且产品合格率接近 100%。这使大量生产DNA产品成为可能，在未来具有光明的商业前景。
DNA纳米技术是把DNA作为一种可编程的建筑材料，自行组装出纳米结构产品，用于各种现实所需，比如最近的一种由DNA制造的合成膜通道。研究人员能设计出多种独立物体，精确指定DNA链条配对结合，折叠成想要的形状，也能证明最后的纳米产品跟设计图几乎完全一致。但迄今为止，还缺乏有效的结构信息反馈机制，对设想的次级纳米结构进行精确定位控制，因此设计过程一直举步维艰，DNA组装工艺的效率和质量都很低。
TUM教授亨德里克·迪茨领导的研究小组为DNA纳米制造提供了一种关键的现实检查手段，并首次证明了在恒定温度下，数百DNA链能在折叠时互相配合，几分钟内就能按照设计的样子形成一个物体。
在第一组实验中，他们测试了独立的DNA产品在亚纳米尺度是否按照设计来组装。研究小组与英国剑桥医学研究理事会(MRC)分子生物实验室合作，专门设计了一个测试用样本。这是一个较大的不对称三维DNA结构，既能确定方向，又结合了独特的设计图案。他们将亚纳米分辨率成像和低温电子显微镜结合，绘制出了物体的图像，其中原子超过46万个，能显示出亚纳米水平的细节。他们还在论文中指出，这种DNA结构也可以足够坚硬，能用电子显微镜来探测，而以前认为它们是胶状且柔软的。
在第二组实验中，他们用19个不同设计的DNA产品，包括盘状、齿轮状、砖头状等，集中研究DNA折叠与展开的动力学。通常，自组装过程称为“一锅反应”：把模板DNA链、指令、组装产品的材料放在一起，在温度较高时它们仍保持分离，随着温度逐渐降低，某些DNA链就会像拉锁一样拉在一起，形成想要的结构。
研究人员发现，所有反应都发生在一个特殊而狭窄的温度范围内，根据产品设计的不同而有差异。一个实际影响是，一旦确定了某种设计的最优温度，DNA自组装就会在该恒定温度下迅速完成。数以百计的DNA链能在折叠时互相配合，几分钟内就能按照设计的样子形成一个物体。
研究人员指出，从基本生物学角度来看，实验显示DNA折叠和蛋白质折叠比预想的更相似。虽然在化学成分和结构上，它们是两个生物分子系统，但在复杂 DNA物体的折叠中，也有着明确的“合作”步骤，这跟蛋白质折叠的机械原理没有差别。因此通过设计DNA自组装产品来开展进一步实验，也有助于揭示蛋白质折叠的秘密。
迪茨补充说：“这些成果除了告诉我们，复杂的DNA产品可以制造，还代表了以前不敢去想的东西——在培养细胞、甚至活细胞中组装DNA纳米设备是可能的。”
