Science：重大进展！开发出单链DNA/RNA折纸术

来源：作者：人气：-发表时间：2017-12-21 09:20:00【大中小】

一个新浮现的领域是DNA折纸术（DNA origami）。DNA折纸术科学家们正在梦想着各种各样的比人的头发小一千倍的形状，并希望这些形状有朝一日引发计算、电子学和医学变革。

如今，在一项新的研究中，来自美国亚利桑那州立大学和哈佛大学的研究人员在DNA纳米技术上取得一项重大的新进展。他们开发出的一种被称作单链折纸术（single-stranded origami, ssOrigami）的新策略使用长而细的面条状的单链DNA或RNA，它们能够自我折叠成迄今为止最大最复杂的而且没有拓扑结的结构。相关研究结果发表在2017年12月15日的Science期刊上，论文标题为“Single-stranded DNA and RNA origami”。论文通信作者为哈佛大学的Peng Yin、亚利桑那州立大学的Fei Zhang和Hao Yan。

DNA折纸术
图片来自Biodesign Institute, Arizona State University。

形成这些结构的单链DNA或RNA能够在活细胞中产生，或者在试管中利用酶制造出，从而允许科学家们有潜力即插即用纳米药物的新设计和功能，比如将细胞中的药物运送到损伤部位的微型纳米机器人。

Yan说，“我们总是受到大自然设计的启发来制造携带信息的分子，这些分子能够自我折叠成为我们想要的纳米形状。”

作为概念验证，他们挑战极限，制造出表情符号般的笑脸、心形和三角形，总共18种形状。

尺寸比较重要

迄今为止，DNA纳米技术科学家们不得不依靠两种主要的方法来制造具有有限尺寸的空间可寻址的结构。

第一种方法是分子砖（molecular brick），即能够折叠在一起形成一种结构的小而短的DNA片段。第二种方法是DNA支架（scaffolded DNA），在这种DNA支架中，通过使用辅助性的DNA链，让单链DNA形成一种结构，其中这些辅助性的DNA链将这种结构固定在原位。

Zhang说，“就合成而言，这两种方法的可扩展性都不太好。当你具有如此多的短链DNA时，你不能够利用生物系统对它们进行复制。解决这个问题的一种方法是设计一条能够自我折叠成任何结构的长链DNA。”

此外，这两种方法都具有局限性，这是因为随着这种结构的尺寸在增加，正确折叠的能力变得更具挑战性。

如今，有了第三种新的方法。

为了取得突破，Yan和他的团队从自然中寻求灵感。他们找到了以复杂的结构存在的RNA。迄今为止发现的复杂RNA结构含有单链RNA分子，它们自我折叠成没有任何拓扑结的结构。这个技巧能够适用于单链DNA或RNA折纸术吗？

为了开发完全可编程的单链折纸术，他们能够破解RNA如何产生复杂结构的密码。

Yan说：“我们的研究的关键创新是使用单链DNA/RNA来构建一个结构复杂而无拓扑结的结构，这种结构能够由单链DNA/RNA平滑地折叠而成。这给我们提供了一个设计策略，从而允许我们将一条长链DNA/RNA折叠成复杂的结构。”

Yan说，“在来自我的团队的一名计算机科学家的帮助下，我们也能够将这种设计过程编写成一种数学严格的正式算法，并且通过开发用户友好的软件工具来自动化设计。”针对单链DNA的软件称为DNA ssOrigami，针对单链RNA的软件称为RNA ssOrigami，详情可参见网站：http://dna.kwonan.com/。

他们通过自动化设计和实验性地构建4种不同的DNA ssOrigami结构（4种菱形和两种心形）对这种算法和软件进行验证。

形状和功能

利用DNA做出灵巧的图案和笑脸是一回事，但是DNA折纸术的批评者一直想要知道它的实际应用何时会出现。

如今，这是有可能出现的。Yan说，“我认为我们更接近这种技术的真正实际应用。我们正在利用我们的ssOrigami技术积极地研究它的第一个纳米医学应用。”

他们也能够证实一种折叠的ssOrigami结构能够解链，用作试管中的DNA复制酶的扩增模板，而且能够在活细胞中通过克隆生产复制和扩增用于ssOrigami中的单链DNA。

Yan说，“通过自折叠形成的单链DNA纳米结构具有可扩增的、可复制的和可克隆的更大潜力，因而有机会利用酶复制和生物复制进行成本节约的大规模生产，以及利用体外进化方法有可能产生复杂的表型和功能。”

这些相同的设计规则也能够用于RNA中。

单链折纸术的一个关键设计特点是单链DNA能够在实验室和活细胞中制造出，随后通过对它进行解链和退火，让它折叠成定制的结构。

在实验室中，他们利用扩增DNA序列的PCR技术扩增单链DNA（ssDNA）。在活细胞中，他们首先将ssDNA放置在被称作质粒的分子克隆载体中，随后将这种质粒导入常见的大肠杆菌细胞中。当他们利用酶处理大肠杆菌细胞时，ssDNA就会被释放出来，他们将它分离出来，随后让它折叠成靶结构。

Yan说，“鉴于质粒DNA能够很容易地在大肠杆菌中复制，就能够低成本地培养大量的大肠杆菌细胞来扩大产量。”这就避免了必须在实验室中从头开始合成全部DNA的限制，因而它的成本要低很多。

如今，他们正在努力研究他们是否能够潜在地在细胞中制造这些结构。

Yan说，“在这项研究中，我们展示了利用细菌制造单链DNA的过程，但是仍然需要在细菌外进行退火来产生靶结构。理想的情形是设计能够在细菌中进行转录和折叠的RNA序列，这样我们就能够使用细菌作为纳米材料制造工厂。”

在这项研究中，他们展示了一种设计单链DNA或RNA并让其高效地自我折叠成为没有拓扑结的紧凑的ssOrigami结构的框架，这就使得产生任意用户指定的目标形状成为可能。

“它的单链性使得人们能够在体外和活细胞中轻松地复制这种单链，而且它的可编程性让我们能够对这种设计过程编写代码，和开发一种简单的基于网络的自动化设计工具。”

文章来源

Dongran Han, Xiaodong Qi, Cameron Myhrvold et al. Single-stranded DNA and RNA origami. Science, 15 Dec 2017, 358(6369):eaao2648, doi:10.1126/science.aao2648