美创建微米级元DNA结构 有助设计更复杂电路和纳米器件

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9月8日电 (记者刘霞)据美国《每日科学》网站7日报道,上海交通大学樊春海院士及美国亚利桑那州立大学颜颢教授等在最新一期《自然·化学》杂志上发表论文称,他们创建出一种新型元DNA结构,这些元DNA结构可自我组装成形状各异的微米级结构,应用于光电子学及合成生物学领域,从而促进信息存储和加密等技术的发展。

研究人员解释,DNA结构的独特特征使其可用作复杂纳米结构和设备的通用组件。借助DNA折叠技术,长的单链DNA(ssDNA)可在数百条短DNA链的帮助下被折成指定形状。但迄今科学家一直很难组装出更大(微米至毫米级)的DNA结构,这限制了DNA折叠技术的广泛使用。

为解决这一问题,研究团队开发出了一种通用的“元DNA”(M-DNA)策略,研制出了一种新型元DNA结构。这一新型元DNA结构与人头发丝的宽度相当,直径是天然DNA纳米结构的1000倍。研究人员证明,这一亚微米级的6螺旋束DNA结构可像放大版的单链DNA一样自我组装。

随后,研究人员使用这种元DNA构建了一系列亚微米到微米级DNA体系结构,包括元多结、3D多面体以及各种二维/三维晶格等。他们还在元DNA上演示了分层链置换反应,这一反应将DNA的动态特征转移到元DNA上。此外,仅通过改变单个元DNA的局部柔性及其相互作用,就能构建从一维到三维的一系列亚微米或微米级DNA结构,包括四面体、八面体、棱柱和6种紧密堆积的晶格等。

研究人员表示,未来,他们可以使用这些元DNA设计出更复杂的电路、分子机器和纳米器件,并将其用于与生物传感和分子计算有关的应用中。而且,这项研究也使创建动态微米级DNA结构的可行性大大提高。

论文作者指出,这种元DNA策略的引入将使DNA纳米技术从纳米级跃升至微米以上级别,帮助科学家在亚微米和微米尺度上创建一系列复杂的静态和动态结构,从而使许多新应用成为可能。例如,科学家可用这些元DNA结构制造出更大更复杂功能组件等。

总编辑圈点

DNA是一种天然的生物大分子,也是制造纳米级构件和机器的通用元件。用DNA折叠术,可以让它像毛衣一样被编织,像乐高一样被组装。曾经,有美国科学家拿DNA长链折叠出了一个笑脸。DNA和短链片段相遇、组装,成为不同的形状。文中研制出的新型元DNA结构,相当于构建DNA体系结构的原材料,从而解决了DNA折叠术所涉对象太小的问题。以后,这些元DNA能够成为更复杂的纳米器件和纳米机器人的基础,还能为信息存储、精准医疗等应用提供更好支撑。