科学家研究出新算法,DNA 折纸将和 3D 打印一样简单

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如果你想要 3D 打印几英寸高的东西,挤压成型的塑料是一种理想的材料。但是,当你需要只有几纳米大小的东西时,DNA 就是更好的选择了——问题是谁有时间设计并一点点地组装这种纳米级物体呢?得益于一项最新研究,DNA 折纸大师将来可以设计纳米级 3D 物体外形,然后使用一种算法来确定将它们放在哪个地方。

DNA 的结构不一定非得采用双螺旋结构:通过调整碱基的顺序或取代其他分子,这种线性结构可以成为促使右转或朝一个方向或其他方向弯曲的动因——如果具有先见之明的话,一根链就可以产生足够多的弯曲和回旋,形成有用的几何形结构。

这些结构将可以被用于输送药物,封装 CRISPR-Cas9 基因编辑元素等工具,甚至是存储信息。

然而,问题的症结在于,设计十二面体是一项极为复杂的任务,很少有人具有用手组装这种复杂分子——由数千个碱基对组成——的技能。这恰恰是麻省理工学院(MIT)、亚利桑那州立大学和贝勒大学等三所高校研究人员试图改变的状况,《科学》杂志在今天对这项研究成果做了详细描述

麻省理工学院的马克·巴斯(MarkBathe)在一份 声明 中称:“这项研究将一个有关专家设计人工合成物体所需 DNA 的问题,变成了一个物体本身是起点、而其 DNA 排序需要由算法自动定义的问题。”

基本上,所有用户都需要做的事情是,提供一种具有封闭表面的 3D 外形。它可以是多面体、圆环体(比如花托),或是像泪珠这样的不太对称的结构。只要你按照某种规格对它进行设计,然后将设计作品输入到电脑上,你的工作就做完了。

三所大学的研究人员开发这种算法是为了确定提供“支架”所需要的准确碱基顺序。所谓的“支架”就是单个 DNA 链,其本身可以弯曲并旋转形成某种外形。它甚至还有一个很酷的名称:DAEDALUS,也就是“用户自定义结构的 DNA 折纸序列设计算法”(DNA Origami Sequence DesignAlgorithm for User-defined Structures)的意思。

这种算法适用于各种各样的外形——很显然,他们在研究中也使用了 3D 单粒子低温电子显微镜:

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“这项技术可应用于医学和基因编辑(gene editing)——这也是显而易见的事情,但研究人员希望这种技术可访问性的显著提升,将使得他们可以去探究在这些领域之外的用途。”

例如,通过这种方法,DNA 信息存储有可能远比现在的方法便捷。科学家还可以利用这种算法,创造特有的单一结构,而有些部分可专门用于经过编码的二进制数据——它基本上就是由 DNA 构成的纳米级 ROM。这项技术是不是很酷啊?

巴斯说:“我们希望,这种自动化操作可以显著增强别人使用这种强大的分子设计范例的参与性。”

翻译:皓岳

This algorithm could make DNA origami as simple as 3D printing