Science：利用可切换形状的DNA机器储存信息

来源：作者：人气：-发表时间：2017-06-27 09:03:00【大中小】

在一项新的研究中，来自中国上海交通大学、美国艾默理大学和普渡大学的研究人员利用DNA构建出简单的机器，这种机器是由DNA阵列组成，这些DNA阵列由可逆地在两种不同的形状之间进行切换的模块化DNA结构单元组装而成。他们说，这些DNA机器可能被用来制造纳米传感器或放大器。潜在地，它们可能经组合后形成逻辑门，即分子计算机的零件。相关研究结果于2017年6月22日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Reconfiguration of DNA molecular arrays driven by information relay”。论文通信作者为艾默理大学-佐治亚理工学院库尔特生物医学工程系助理教授Yonggang Ke博士、上海交通大学电子信息与电气工程学院科学家Jie Song和普渡大学化学系Chengde Mao。

作为对一种外部触发器作出的反应，DNA阵列改变形状。
图片来自Yonggang Ke。

Ke说，这些DNA机器能够在空间中传递离散的信息位，或者放大信号。Ke说，“在基于DNA的计算领域，DNA含有信息，但是这些DNA分子在溶液中漂浮着。这项新研究的新颖之处在于我们在一种真实的机器中将这些DNA零件连接在一起。”

类似地，几家实验室已利用DNA制造出纳米机器，如镊子和轮椅。Ke说，他的团队对DNA阵列的研究阐明了如何制造出具有更加复杂的动态行为的结构。

这些DNA阵列的结构看起来像是手风琴式的可伸缩安全门。延伸或收缩一个结构单元也会导致附件的结构单元改变形状，就像多米诺骨牌那样发挥作用。

这些DNA阵列的结构单元利用DNA双螺旋堆栈在一起时获得的能量保持稳定性。为了保持稳定，这些结构单元的四个片段能够肩并肩地在两种不同的方向上成对排列。通过让一条DNA链在一个DNA阵列的边缘延伸出来，这些研究人员构建出一种外部触发器。当加入这条DNA链时，它挤压位于边缘的结构单元，从而改变其形状。

为了可视化观察这些DNA阵列，这些研究人员采用了原子力显微镜。他们构建出长方形的11x4 DNA阵列和11x7 DNA阵列，加入触发链，随后能够观察到这种多米诺骨牌效应从位于拐角处的结构单元传播到DNA阵列的其余部分。

通过在这些DNA阵列上设计断裂点，就能够在选定的位点上停止或重新开始它们的多米诺骨牌效应。这些结构单元的形状转化可通过温度或化学变性剂加以调节。

作为参考，这些长方形DNA阵列大约宽50纳米，长几百纳米，略比一个HIV或流感病毒颗粒小一些。

为了构建这些DNA阵列结构，这些研究人员采用折纸术和模砖（modular brick）方法。这两种长方形DNA阵列是通过DNA链在溶液中寻找它们的互补链进行自我组装。在温度升高或存在变性剂的条件下，这种折纸术导致更加稳定的结构形成。

在这项新的研究中，这些研究人员证实他们能够利用DNA阵列的结构单元构建出长方形DNA阵列机构和管状DNA阵列机构。他们也能够构建出具有三种基础构象的长方体DNA阵列机构，而这些二维的DNA阵列结构单元仅具有两种构象。Ke说，他的团队正在努力研究利用这些相同的基础设计原则制造更大的更加复杂的具有三维形状的机器。

参考文献

Reconfiguration of DNA molecular arrays driven by information relay