高中生物课白学了？DNA竟被玩成了这副模样
由DNA组装出的三维图形概念图。图片来源：extremetech
你还以为DNA只能是初高中课本上双螺旋的模样？随着“DNA折纸技术”的发展，作为生物主要遗传物质的DNA，已经被科学家设计和组装成了各种2D和3D图案：卡通笑脸、泰迪熊、蒙娜丽莎……近日，中美科学家还联合开发出了“巨型DNA”，并将其“钉”在一起，构建出更大、更复杂的结构，例如四面体、六面体、棱柱体，只有你想不到没有它做不到的.......
撰文丨闫雪珊
编辑丨杨心舟
把DNA当折纸一样玩
DNA是人类和几乎所有其他生物的遗传物质。精确互补配对的DNA双螺旋链状结构具有稳定、可自我复制、可设计、可自我组装等特性，因此在一群“爱玩”的科学家的眼中，它不仅仅是生命遗传信息的载体，还是纳米级的搭建平台。
通过合理的设计，我们是不是也能将DNA当做拼图模块甚至乐高积木，拼装出各种各样的构造呢？事实上，自上世纪80年代基因工程技术起步以来，科学家就一直在尝试解决这一难题，但直到“DNA折纸技术”诞生后，才真正有了突破。
2006年，来自美国加州理工学院的Paul W. K. Rothemund首次提出了DNA折纸技术（DNA Origami）。“Origami”即日语中的“折纸”，意为将普通纸张折叠成特定形状的工艺，DNA折纸技术则是将连成片的DNA当做“纸”，通过设计和堆叠，构建出自己想要的模样，其原理与用单线条作画类似，但却是在纳米尺度上进行创作。
紧密盘绕的长链DNA作为“纸张”，而许多短的单链DNA则类似于“订书针”的功能，可以固定长链DNA特定的位置，从而在二维或三维空间上堆叠出复杂的结构。目前科学家已经利用DNA折纸技术创造出了DNA立方体、三维DNA泰迪熊，以及世界上最小的《蒙娜丽莎的微笑》等。
世界上最小的《蒙娜丽莎的微笑》（引自G. Tikhomirov等）
既能玩也能应用
但DNA折纸技术仅限于被用来做一些“花里胡哨”的艺术创作吗？事实上，纳米机器人是DNA折纸技术的最大应用领域之一。研究人员已经生产出由DNA折纸结构与其他纳米工程产品（包括碳纳米管和其他纳米粒子）组合而成的复杂纳米机器人。这些纳米机器人能够在设计的路径上移动，甚至能够携带金、银或其他纳米颗粒。
例如早在2018年，来自美国亚利桑那州立大学的颜颢团队与我国国家纳米科学中心的研究人员联合开发出了一种DNA纳米机器人递送系统。这套系统能将具有治疗功能的凝血酶在体内智能地递送至肿瘤附近的血管，以此来高效地阻断肿瘤血液供应和抑制肿瘤生长。
而当研究人员将纳米机器人应用在黑色素瘤小鼠身上时，他们发现，纳米机器人不仅阻遏了原发肿瘤生长，而且还阻止了肿瘤转移。这项新兴的纳米技术在在药物递送和疾病治疗方面具有巨大的潜力，也许在不久的将来便会被应用于癌症的诊断和治疗。
通过DNA折纸技术构建装载有凝血酶的纳米机器人（引自Li等）
DNA通过预先设计的“订书针”序列连接，形成矩形DNA片状结构，再装载上可导致血栓形成并杀死肿瘤的凝血酶、引导机器人前往肿瘤区域及控制机器人打开与闭合的核仁素、定向序列及 “拉链”序列等部件，使得纳米机器人能够识别肿瘤微环境信号，进一步触发纳米结构变化和精确给药。
除此之外，DNA折纸技术也可以对信息储存和加密领域有所推动。DNA信息存储效率是当前存储方法的500万倍，而且与容易发生机械故障的硬盘相比，DNA更加稳定，因此诸如Google和微软等计算机行业巨头都在争相开发能用DNA存储信息的黑科技。
如果在此基础上再利用DNA折纸技术，相比于原始的链状DNA仅仅能展示碱基排列顺序、序列长短等一维信息，经过DNA折纸技术集成后的DNA图案还可以包含空间位置排列、集成单元数量等二维、三维信息，更是大大提升了DNA的信息承载能力。
DNA再次玩出新高度
尽管经过近20年的发展，DNA折纸技术能够组装的作品已经比最初Rothemund创造的“笑脸”尺寸扩大了几十倍甚至几百倍，但是想要组装出更大（微米至毫米大小）更复杂的DNA结构还难以实现。不过最近，前面提到的颜颢团队又与上海交通大学的樊春海院士团队展开合作，创造出了一种前所未有的巨型DNA，称为元DNA（meta-DNA，或M-DNA），让DNA组装上升到了新的层面。
元DNA结构，每一条单链其实有6束DNA。（引自Yao等）
元DNA仍然属于DNA折纸技术范畴，它同样是由很多长链和短链DNA集成而来的，但更惊奇的是，每一个螺旋链都是由六条天然DNA单链组合缠绕而成的。这种结构与人头发丝的宽度相当，直径是原始DNA纳米结构的1000倍。即使这样，元DNA仍能呈现出双螺旋结构。
而且，这一亚微米级的6螺旋束DNA结构可像放大版的单链DNA一样自我组装。单链之间既能通过短的“订书针”DNA相连接，也能利用特定碱基对“互补配对。而人为设计“订书针”的分布，科学家们就能够轻松地改变元DNA的刚柔性和灵活度，便于用其搭建出不同的立体结构。研究者仅改变单个元DNA的局部柔性及其相互作用，就已经成功构建了从一维到三维的一系列亚微米或微米级DNA结构，包括四面体、八面体、棱柱和六种紧密堆积的晶格。
以元DNA为单元构建的几何结构（引自Yao等）
在这项研究中，研究人员不仅分别构建了左旋与右旋的元DNA用来测试这种新型“乐高积木”的性能，还通过计算机编程，设计并组装出了一系列几何结构，大小都在亚微米到微米规模，从而将DNA纳米技术推上了全新的高度——原本直径2纳米的DNA从纳米规模转变为微米规模，被扩大了近千倍！
作为本研究通讯作者之一的颜颢解释说，“元DNA是一种通用策略，能够允许各种亚微米到微米大小的DNA结构自我组装，就像天然的DNA自组装一样”。这不仅有助于搭建出更精致的“DNA乐高模型”或是更复杂的纳米机器人，也可能促使其他纳米级应用，诸如生物电路、纳米传感器、人工细胞等进一步发展，未来或许还会出现更大的甚至肉眼可见的DNA结构。
最新研究的原始论文：
Meta-DNA structures
https://www.nature.com/articles/s41557-020-0539-8