新視野

    在細胞中，DNA的主要任務是把信息從一代傳遞到下一代。但科學家們也看到，利用它們的自行組裝能力，可以用DNA單元來設計蛋白質和其他大分子。加上其特有的高穩定性和靈活性，DNA正在成為納米結構的理想建材，這種稱為納米建築學的方法正在發展成一種多樣化的工具，用於藥物遞送、生物傳感器、人造光合電池等許多領域。

     DNA折疊技術

     5年前，加州理工學院計算生物工程師鮑爾·羅斯蒙德推出了一種全新的設計策略，稱為DNA折疊術，把長的DNA鏈在二維平面上折疊，再以較短的鏈「釘」固定，構成各種各樣的「建築物」。幾年後，哈佛醫學院威廉姆·施的實驗室將這一概念變成了三維，設計出更複雜的曲線和彎曲結構，為納米水平的合成生物設計開闢了新道路。

     DNA由A(腺嘌呤)T(胸腺嘧啶)G(鳥嘌呤)和C(胞嘧啶)4種核甘酸組成，根據基因規則，一條鏈上的A只能與另一條鏈上的T結合，同樣C只能與G結合。按照這種配對規則，兩條天然的DNA鏈就能找到彼此的伴侶。但在實驗室裡搭建納米建築，生物重要性的基本規則被去除。研究人員能讓DNA雙螺旋序列，形成一種想要的結構。   

    麻省理工大學生物工程師、應用生物副教授馬克·貝瑟曾用一種病毒的基因組搭建了大約8000個核甘酸，生成了二維的星星、三角和笑臉圖案。他說：「使用DNA，你能在最小的尺度對自行組裝的序列進行設計，再把它們折疊成某種特殊結構，把不同的DNA連在一起，造出大一些的物體。DNA在許多方面比蛋白質更適合自行組裝，蛋白質的物理性質不利於控制，對環境也過於敏感。」

    設計過程自動化

    既往的人造DNA大分子結構，大多是受靈感啟發的創舉。隨著納米建築變得越來越複雜，一個主要障礙逐漸暴露出來，即設計過程自動化。   

    「簡單地調用DNA基本片斷來構建想要的任何形狀，讓非專家也能使用DNA折疊術來設計自己想要的三維納米結構，才能打開無限想像。」貝瑟說，「我們在開發一種設計工具，從一個複雜的三維形狀的畫面開始，按照運算法則尋找一個最佳的序列產品。為了讓更多人都能使用這種納米組裝技術，包括沒有DNA折疊技術知識的生物學家、化學家、材料科學家，需要計算工具的完全自動化，只需很少的人工輸入或人為操作。」

    目前，貝瑟領導的研究小組和德國慕尼黑理工大學同行合作，已經開發出這種軟體，能根據給定的DNA模板預測它的三維形狀。儘管軟體的設計過程還沒實現完全自動化，但使用者已經能很容易地生成複雜的三維結構，控制它們的靈活性、折疊的穩定性等。近日出版的《自然·方法學》詳細介紹了這一軟體。

    這是一種處理DNA折疊及組合構型的初級技術軟體。「搭建DNA的瓶頸是把這種技術推廣使用，而現在只有受過專門培訓的研究人員，才能用基本的DNA建材進行折疊設計。」貝瑟說。

    他們的新軟體程序和哈佛醫學院威廉姆·施實驗室開發的caDNAno軟體兼容，caDNAno能讓用戶從二維開始，手動操作將DNA折疊成基本的構架。而新程序名為CanDo，利用了caDNAno的二維藍圖，靈活地旋轉、彎曲、拉伸DNA，折疊成複雜的三維形狀，並能預測設計的最終形狀，讓最終的DNA建築形狀不再取決於直覺和偶然的靈感。

    在分子水平，DNA雙螺旋結構的壓力降低了折疊結構的穩定性，還會帶來局部缺陷，妨礙折疊組裝的進一步拓展。羅斯蒙德說：「過去我們沒有合適的設計工具，很難分析各種構型中的壓力和拉力，也很難為某種特殊目的而設計。」這種CanDo程序能讓設計者更全面地測試DNA結構，恰當地折疊它們。貝瑟實驗室目前仍在開發CanDo的功能，改進用DNA基礎構架進行折疊的設計程序。

    開發納米機器

    不久前，德國法蘭克福大學的亞歷山大·海克爾教授和他的博士生施密特製作了一對僅18納米大小、互相連在一起的DNA環。施密特在製作這對連環扣期間結婚了，妻子也是研究小組成員，他們於是將這一成果稱作是「世界上最小的婚戒」。

    雖然連環扣比可見波長還要小，用普通顯微鏡也看不到，只能憑借掃瞄原子力顯微鏡才能顯示出來，但站在科學的角度，卻在DNA納米技術領域具有里程碑的意義。以往的DNA納米建築主流，只形成固定不變的形狀，而連環扣卻能根據環境條件自由地轉動，有望成為未來分子機器或分子馬達的組成部件。

    有了可靠的方法來搭建DNA建築，它卻不僅局限於靜態結構，下一步就是能自動運行的納米機器。「DNA運輸車」就是一種，精心設計的DNA運輸車會根據目標癌細胞發出的特殊化學信號，將攜帶的藥物送到身體的某個特殊部位，釋放出藥物而殺死癌細胞。

    「DNA折疊術能在納米水平構建非常精細的結構。我們正在拓展這種獨特的性質，用於更多方面，包括人造光電池。」貝瑟說，比如複製植物光合作用細胞中的光捕獲器官，這是一種包含20個蛋白質分子單元的複雜序列。要「人造」出這種「機器」來，必須把各組成部分按照特定的位置和方向結合在一起，這正是DNA折疊技術要做到的。

    「儘管這種應用目前還較為遙遠，但我們相信在不久的將來，這個方向上的預測工程軟體是必不可少的。」貝瑟指出，哈佛大學也開發出了名為BIOMOD的軟體，包括麻省理工大學、哈佛大學和加州理工在內的十幾個研究小組，都在設計納米水平的生物分子，用於機器人、計算或其他領域。