中美創建微米級元DNA結構 有助設計更復雜電路和納米器件

據美國《每日科學》網站7日報道,上海交通大學樊春海院士及美國亞利桑那州立大學顏顥教授等在最新一期《自然·化學》雜志上發表論文稱,他們創建出一種新型元DNA結構,這些元DNA結構可自我組裝成形狀各異的微米級結構,應用於光電子學及合成生物學領域,從而促進信息存儲和加密等技術的發展。

中美創建微米級元DNA結構 有助設計更復雜電路和納米器件

研究人員解釋,DNA結構的獨特特徵使其可用作復雜納米結構和設備的通用組件。藉助DNA折疊技術,長的單鏈DNA(SSDNA)可在數百條短DNA鏈的幫助下被折成指定形狀。但迄今科學家一直很難組裝出更大(微米至毫米級)的DNA結構,這限制了DNA折疊技術的廣泛使用。

為解決這一問題,研究團隊開發出了一種通用的「元DNA」(M-DNA)策略,研製出了一種新型元DNA結構。這一新型元DNA結構與人頭發絲的寬度相當,直徑是天然DNA納米結構的1000倍。研究人員證明,這一亞微米級的6螺旋束DNA結構可像放大版的單鏈DNA一樣自我組裝。

隨後,研究人員使用這種元DNA構建了一系列亞微米到微米級DNA體系結構,包括元多結、3D多面體以及各種二維/三維晶格等。他們還在元DNA上演示了分層鏈置換反應,這一反應將DNA的動態特徵轉移到元DNA上。此外,僅通過改變單個元DNA的局部柔性及其相互作用,就能構建從一維到三維的一系列亞微米或微米級DNA結構,包括四面體、八面體、稜柱和6種緊密堆積的晶格等。

研究人員表示,未來,他們可以使用這些元DNA設計出更復雜的電路、分子機器和納米器件,並將其用於與生物傳感和分子計算有關的應用中。而且,這項研究也使創建動態微米級DNA結構的可行性大大提高。

論文作者指出,這種元DNA策略的引入將使DNA納米技術從納米級躍升至微米以上級別,幫助科學家在亞微米和微米尺度上創建一系列復雜的靜態和動態結構,從而使許多新應用成為可能。例如,科學家可用這些元DNA結構製造出更大更復雜功能組件等。

總編輯圈點

DNA是一種天然的生物大分子,也是製造納米級構件和機器的通用元件。用DNA折疊術,可以讓它像毛衣一樣被編織,像樂高一樣被組裝。曾經,有美國科學家拿DNA長鏈折疊出了一個笑臉。DNA和短鏈片段相遇、組裝,成為不同的形狀。文中研製出的新型元DNA結構,相當於構建DNA體系結構的原材料,從而解決了DNA折疊術所涉對象太小的問題。以後,這些元DNA能夠成為更復雜的納米器件和納米機器人的基礎,還能為信息存儲、精準醫療等應用提供更好支撐。

來源:cnBeta