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DNA折叠术正迅速走向应用-【xinwen】

发布时间:2021-10-11 12:14:52 阅读: 来源:保温材料设备厂家

DNA折叠术正迅速走向应用最近,德国慕尼黑工业大学创造出了一些新型纳米设备:一个会动手臂的机器人,一本能打开、合上的书,一个能开关的齿轮传动装置,还有一个促动器或许这些已经很吸引人了,但还不是重点。重要的是这些设备体现了科学上的突破把DNA作为一种可编程的建筑材料,用于制造纳米级的结构和机器。

研究人员发表在《科学》杂志上的上述成果,揭示了一种新的DNA连接方法。重组和模块化的三维DNA组件有着互补的形状,能很容易扣在一起,而不是像拉链似的拉在一起的碱基对。这不但能造出会动的纳米机器,而且提供了一种工具包,使研究人员对模块自行组装编程更加容易。

新一代DNA折叠术

据慕尼黑理工大学教授亨德里克戴茨介绍,这一领域通常叫做DNA折叠术,正在迅速走向实际应用。日前,戴茨因为在这一领域的研究获得了德国最重要的研究奖项戈特弗里德威廉莱布尼茨奖。

近年来,戴茨和他的团队在DNA折叠术的应用方面迈出了重要的几步,比如开发出一些实验装置,包括一个由DNA制造的人工膜通道;发现了能大大节约时间的自组装程序,使整个组装过程从一周缩短到几小时;证明了极其复杂的结构也能按设计组装,并具有亚纳米级的精度。

然而,以往所有的进步都要用到碱基配对,以此决定溶液中每条链和DNA组合之间该怎么结合。新研究中奇的东西是胶水。

一旦你用碱基对造出了一个组装单位,就很难打破它。戴茨解释说,所以动态结构所用的方法通常在结构上是很简单的。为了能让会动的DNA纳米机器更普适,有更广泛的潜在用途,研究小组从自然的生物分子工具箱中借鉴了两种技术:蛋白质的形状互补方法和它们形成相对弱键的趋势,前者可以简化分子之间的对接,后者能在不需要时断开连接。

仿生可提高灵活性

研究人员还从一种自然机制中获得了灵感:让核酸分子通过比碱基对更弱的键粘合在一起。在自然界,当RNA基酶RNase P认出转移RNA时,利用它们的互补外形能形成这种弱键,分子则被引导到足够近的范围,就像宇宙飞船与空间站对接。

戴茨实验室的新技术模仿了这一方法。为造出动力DNA纳米机器,他们开始编程,让有着互补结构的3D模块自行组装,然后激活一种称为核基堆积的短距离结合机制,在空间里把这些单位模块搭扣在一起。他们有3种不同的方法,可以控制这些DNA模块的形状和功能。戴茨说:这些带给我们的是分等级的作用力、按要求定位的能力以及模块彼此识别、相互匹配的稳定区域。

戴茨小组由此造出了一系列DNA设备:从微米级的细丝,到会动的纳米机器,都显示了这一技术的潜在应用能力。

小组人员还传来一个三维纳米人型机器人的电子显微图,以确认它身上的模块是地按设计组合的。此外,他们还展示了一种简单的控制方法,能改变溶液的正离子浓度这可以让DNA模块在不同组态之间切换:组装或解开,比如让机器人的手臂脱离,或留在它身上。

另一种方法是简单地提高或降低温度,也能让DNA纳米设备在不同结构状态之间切换,而这种方法被证明非常有效。对早期的DNA设备来说,需要分开和重连DNA碱基对,通过稀释和单边反应只能进行几轮切换,系统就会疲劳。小组论文中还描述了一种剪刀状的促动器,在4天时间里承受了1000多次的温度切换循环,而没有衰减的迹象。

戴茨补充说:温度循环是把能量导入系统的一种方法,所以能把可逆的形状变换与某种可持续进程结合在一起的话,不仅能制造纳米机器,还能给它们提供能量。

类似小孩子玩积木

值得一提的是,DNA设备灵活性的一方面,这只需添加形状互补零件就能实现,其关键技术就是弱键结合DNA纳米技术工具包。研究人员指出,只用碱基配对来编写自组装程序,就像用机器语言来写计算机代码。他们希望,新方法能让DNA折叠术在面向使用终端时更加容易,就像计算机程序语言的出现,刺激了软件工程的进步。

戴茨把这项工总比作是孩子们玩乐高积木,他说:你只需把组合零件设计成互补的就可以,而无需再摆弄碱基对序列让它们来连接零件。

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