新软件用DNA创建3D纳米结构 可制造运送药物的微型容器

科技日报记者 张梦然

(资料图片仅供参考)

据最新一期《科学进展》杂志报道，美国杜克大学和亚利桑那州立大学研究人员新开发的开源软件程序可让用户绘制圆形的图纸或数字模型，并将它们转化为由DNA构成的3D结构，每个3D结构就是一个微小的空心体，其直径不超过百万分之五厘米，一根针头上可容纳超过50000个这样的微结构。

研究人员表示，这些不仅仅是纳米雕塑。该软件可让研究人员制造微型容器来运送药物，或制造用于铸造具有特定形状的金属纳米颗粒的模具，用于太阳能电池、医学成像等。

对大多数人来说，DNA是生命的蓝图，所有生物的遗传指令。但对于新研究来说，DNA不仅仅是遗传信息的载体，它还是源代码和构建材料。

DNA的遗传密码中有四个“字母”或碱基，它们在细胞中以可预测的方式配对，形成DNA阶梯的梯级。研究人员采用了DNA的这些严格的碱基配对特性——A与T，C与G，通过设计具有特定序列的DNA链，他们可对这些链进行“编程”，将它们拼凑成不同的形状。

该方法包括在数百条短DNA链的帮助下折叠一条或几条数千个碱基长的单链DNA，这些短DNA链与长链上的互补序列结合并将它们“固定”到位。

研究人员开发了软件DNAxiS，其工作原理是将一条长长的DNA双螺旋盘绕成同心环，这些同心环相互堆叠以形成物体的轮廓，就像使用黏土圈来制作锅一样。为了使结构更坚固，该团队还可以用额外的层来加固它们以提高稳定性。

研究团队展示了他们可制作的各种形状：圆锥形、葫芦形、三叶草形。DNAxiS是第一个允许用户自动设计此类形状的软件工具，它使用算法来确定放置短DNA“订书钉”的位置，以将较长的DNA环连接在一起并将形状固定到位。

例如，给定一个蘑菇形状的模型，计算机会吐出一系列DNA链，这些链会自组装成正确的结构。一旦在试管中合成并混合了链，其余部分就会自行处理：通过加热和冷却DNA混合物，在短短12小时内就能神奇地折叠成DNA纳米结构。

研究人员表示，他们的DNA设计软件在新型三维结构的自动化设计方面向前迈出了一大步。

总编辑圈点

DNA，我们最为熟悉的生物大分子，不仅携带了大量生物学信息，如今，还可以作为纳米结构和纳米器件的重要组成构件——这也是近些年来围绕DNA研究形成的新热点。DNA成为一种自组装的材料，能像纸张一样被折叠，建造出所需的3D纳米结构。本文介绍了一种新开发的开源软件程序，用户可以自行设计各种形状，比如蘑菇形、葫芦形。软件此刻化身“神笔马良”，将设计图变成施工图，帮助进行DNA的建构。这样一来，用DNA创建3D纳米结构的门槛也可以大为降低。

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