颜颢团队又一次创造性地改进了“DNA折纸”

如果你经常从事帆船、钓鱼和攀岩运动，你一定知道“打结”是一项必不可少的技术，当然，对经常绑鞋带的童鞋来说也很重要。但是，当我们谈到在十亿分之一米长的带状DNA链打结，科学家们需要付出高度耐心和更多专业化操作。

来自亚利桑那州立大学的颜颢（Hao Yan）教授精通分子化学、计算机科学和纳米技术，是该领域的著名专家。他的课题组最近在《Nature Communications》发表了一项新研究，描述了一种将单链DNA片段诱导成复杂二维和三维结状结构的方法。

这项研究结果是DNA纳米技术（使用生命分子作为微型结构的构建材料）领域的一个重要进展。

DNA纳米技术的应用包括微型机器人装置、光子应用、药物输送系统、逻辑门电路库和诊断治疗。

“我们的这项工作展现了DNA结状结构的前所未有的拓扑复杂性，远远超出了之前使用单链折叠所达到的水平，”Yan教授说。“的确，单链DNA和RNA竟然可以穿过自身形成的环，然后找到构成高度成结结构的正确方式，这非常令人惊讶，让一条单链穿过如此多的缠结！”

给DNA打结

新研究属于DNA折纸（DNA origami）领域的一大创新，顾名思义，就是利用DNA和RNA等核酸来折叠和自组装成其他复杂结构。DNA由4个字母组成，彼此执行严格配对原则：C碱基对应G碱基，A碱基对应T碱基。

尽管DNA折纸自创立以来已经取得了惊人的进展，但这项技术的创新一直难以实现。直到现在，Yan教授等人开辟了先河，以可预测和可编程的方式构建DNA的复杂结状结构。

新研究允许1800-7500个核苷酸单链DNA（或RNA）片段形成9至57个交叉数（DNA穿入和穿出自身）的结状纳米结构。

课题组进一步证明，这些核酸纳米结构可以在实验室条件下和生物系统中加以复制和扩展。

天然结

“结”广泛存在于天然世界。科学家们在复制和转录过程中观察到过DNA和蛋白质的成结。然而，在纳米尺度上构建分子结，并显示出明确和一致的几何结构，需要巨大的控制力和精度。核酸是理想的设计和合成这样分子结的材料。

过去，研究人员利用短片段或“短链”将目标双链DNA固定在一起，新研究采用了一条长链，通过精确的、预先编程的步骤让它逐步包裹自己（单链法）。

一旦完成自我组装，研究人员用原子力显微镜成像，通过仔细计算优化折叠路径，为每个合成结构生成最高产率，从而允许以低成本提高单链和双链DNA结构产量。

单链法打开了设计具有特定、定义明确功能的纳米结构的大门，可以通过连续几轮体外进化加以生产，在精炼过程中纯化选择期望属性。此外，这还是一种设计空前复杂分子结构的新通用平台，为纳米光子学、药物递送、低温冷冻电镜分析和基于DNA储存器方面的研究铺平了道路。

创意大师——DNA和RNA

最开始，Yan教授和同事们设计让DNA在预设序列处穿过自身9次，证明了原理的可实施性。随后，设计策略被扩展到折叠RNA和三维DNA结，这些结构再被冷冻透射电子显微镜技术重建，以确认其是否被正确地折叠为所需的形状。

“这项工作的其中一个挑战是不断提高高度打结的结构的装配产量，”Yan教授的同事Fei Zhang说。“不同于经典的DNA纳米结构，单链法在精确折叠顺序方面不太宽容。处理过程中如果出现一个交叉错误，误差将难以自校正，并且大部分错误折叠将永远保留在已完成的结构中。我们开发了一个分层折叠策略以指导正确成结。我们用不同的折叠路径所产生的23个交叉比较了1个结点的折叠效率。原子力显微镜图像显示，通过优化分层折叠路径，优质的结构产量可以从0.9%提高到57.9%。”

优化折叠路径的设计规则是基于目标结构的交叉点数目、DNA长度和碱基对数目。首先，线性折叠路径优于分支路径，其次，DNA链的未展开部分在早期阶段不可以穿过自身，最后，有3个交叉点的所需形状边缘应该在有2个交叉点之前折叠。

遵循设计策略，团队能够创造越来越复杂的具有更多交叉数的DNA结。

较长的单链DNA对设计程序化纳米结构提出了独特的挑战，这是因为，组成该链的基因的非预期自互补可能性增加。这种技术可以生成含有57个交叉结的DNA结构，但产率和精度较低。当交叉结数量增加到67个时，产率差强人意，所得结构用原子力显微镜成像显示出更多组装误差。

目前，该技术组装的最长DNA链由多达7.5k个碱基组成，拥有最复杂的拓扑结构和多达57个交叉区域。单链法适用于活细胞大规模生产，具有不同功能的DNA纳米结构可以自发在细胞内形成。