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折疊未來:DNA折紙技術(shù)10周年,將引領(lǐng)材料界的“文藝復(fù)興”
折疊未來:DNA折紙技術(shù)
本文轉(zhuǎn)自歐特克大視界,作者:MATT ALDERTON
DNA,簡稱”脫氧核糖核酸”,包含了生物進(jìn)化的歷史及遺傳密碼。DNA鏈太小,需要光學(xué)顯微鏡才能詳細(xì)查看,不過我們?nèi)匀豢梢杂心康牟倏vDNA折疊。
用于DNA折紙技術(shù)的納米儀器
DNA折紙是什么?與傳統(tǒng)折紙所選用材料不同,DNA折紙技術(shù)采用DNA鏈進(jìn)行折疊。DNA折紙術(shù)是近年來提出的一種全新的DNA自組裝的方法,是DNA納米技術(shù)與DNA自組裝領(lǐng)域的一個重大進(jìn)展。
那么DNA折紙是如何實現(xiàn)的?
DNA鏈?zhǔn)怯啥喾N核苷酸所組成的聚合物。像磁鐵一樣,每個核苷酸的四種類型都有一個互補的”另一半”核苷酸所吸引。當(dāng)兩股DNA彼此靠近,互補的核苷酸自動吸引和綁定單元,形成所謂的”堿基對”(堿基互補配對原則),獨特的螺旋結(jié)構(gòu)也使得折紙技術(shù)更容易的實現(xiàn),不過也相應(yīng)的缺乏穩(wěn)定性。
在用DNA制作各種圖樣時,先借助納米儀器,繪制折疊物形狀,然后用折疊的DNA長鏈將形狀填滿。而DNA短鏈就是固定折疊的DNA長鏈的”圖釘”,有了它們,DNA長鏈組成的圖形才不會散開。用計算機計算作品所需DNA短鏈的數(shù)量后,將這些DNA短鏈”釘”在長鏈構(gòu)成的支架上。然后將DNA長鏈和短鏈一起放入一種堿性溶液加熱,它們就會自動結(jié)合在一起,組合成人們想要的圖案。
全過程可預(yù)先在電腦中設(shè)置,設(shè)置后DNA鏈將自動組建。簡單的升溫或者降溫,在實現(xiàn)DNA納米設(shè)備在不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間切換,被證明尤為可靠。
小結(jié)構(gòu)也有大用途
利用DNA創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的想法可以追溯到1980年代早期,當(dāng)時紐約大學(xué)教授Nadrian Seeman開創(chuàng)了結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)的概念。認(rèn)為利用核苷酸互補規(guī)則和合成任意序列的DNA的能力,可以作為納米級的建筑材料。
在2006年,加州理工學(xué)院的高級研究PaulW.K. Rothemund在Seeman的研究基礎(chǔ)上發(fā)明了DNA折紙,證明通過”釘住”的過程,可以折疊長鏈成固定形狀,并在在顯微鏡下可見。
顯微鏡下DNA折疊的“笑臉”
目前,科學(xué)家們利用DNA已在該領(lǐng)域創(chuàng)建了多種結(jié)構(gòu),靜止結(jié)構(gòu)如二維和三維晶體結(jié)構(gòu)、毫微管、多面體和其他任意的造型,和功能結(jié)構(gòu)如納米機器、DNA計算機、藥物載體。藥物載體目前應(yīng)用較多,可以通過打靶式的藥物遞送,針對病變部位以幫助抵抗疾病。
動態(tài)納米機器工具箱
DNA以其獨特的納米尺度、分子線性結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)剛性、自我識別能力以及自組裝等優(yōu)勢,正逐步被應(yīng)用于分子生物學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域。以DNA為模板,構(gòu)筑納米材料及分子器件,成為一個新的研究熱點。
設(shè)計DNA
盡管對行業(yè)充滿了期待,但DNA折紙技術(shù)仍然處于早期階段。需要科學(xué)家們使用更好的工具來協(xié)助設(shè)計。如折紙般多樣,DNA折紙術(shù)也需要更多精心的設(shè)計和拓展。
準(zhǔn)備在顯微鏡下進(jìn)行DNA折疊
打造DNA折紙需要三個基本階段?!笆紫刃枰O(shè)計和確定DNA鏈結(jié)構(gòu)。采購合成DNA鏈。最后將結(jié)合鏈放置在試管中,加熱,再將其冷卻。而對于工程需要的DNA納米結(jié)構(gòu),則需要更多的DNA鏈及更復(fù)雜的相互作用。為了更容易及便捷的設(shè)計結(jié)構(gòu),歐特克研究小組針對納米生物相關(guān)技術(shù)開發(fā)CAD工具設(shè)計。目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計、組裝和驗證的過程,選用了Autodesk的logo標(biāo)志作為第一個案例。
納米結(jié)構(gòu)的歐特克logo標(biāo)志
目前,DNA折紙技術(shù)可采用開源軟件caDNAno,可以采用Cadnano繪制2D圖樣,然后通過caDNAno插件導(dǎo)向Autodesk Maya或者采用Autodesk Molecule Viewer查看3D模型。通過新型軟件CanDo或者oxDNA,還可用于預(yù)測最終設(shè)計的三維結(jié)構(gòu)。未來迭代設(shè)計、納米級3D打印及工具的進(jìn)步將進(jìn)一步簡化其過程,豐富其功能。
Nature雜志:DNA折紙技術(shù)10周年
Ten years of origami
來源:BetterEvery1day
眾所周知,DNA成就了人類、植物和動物。但是,為什么機器人不行?有沒有可能用DNA制造微型機器呢?在2006年,Paul Rothemund發(fā)現(xiàn)了一種用DNA制造各種微型形狀的方法,即使是微型笑臉。他將這個技術(shù)取名為“DNA折紙”。以下是它的工作方式。開始是一條DNA長單鏈,然后像折紙一樣的將它折疊,只是你需要將它調(diào)整到可以和另一個稱為穩(wěn)定鏈的微小片段建立穩(wěn)定連接的位置。然后,它將再次折疊、折疊、折疊,只到建立一個形狀,可以是立方體、圓環(huán)或者笑臉。但是,為什么用DNA來建立呢?因為DNA可以自我折疊。
DNA由4中化學(xué)堿基組成,這里以4種顏色來展示。這些堿基總是以同樣的規(guī)則配對,綠色的總是和藍(lán)色的,紅色的總是和黃色的。直到這兩條擰成雙螺旋結(jié)構(gòu)。
所以,如果你以正確的方式建立穩(wěn)定的鏈,它將會自動的結(jié)合DNA單鏈片段。添加的片段越多哦,結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。
如果使用計算機設(shè)計DNA,要使其在所有地方都匹配,你只需要將長鏈和短結(jié)構(gòu)混合在一起,它將會自動折疊成形狀。最初的DNA折紙技術(shù)創(chuàng)造的都是扁平形狀。但是一些DNA納米技術(shù)研究小組已在開發(fā)3D結(jié)構(gòu)。在過去的10年里,更多的復(fù)雜形狀已被研發(fā)出來。甚至是DNA兔子。
2009年,丹麥研究人員設(shè)計了一種可以打開釋放藥劑分子的盒子。他們在蓋子上安裝了一個機械鎖,該結(jié)構(gòu)起到傳感器的作用,并且可以探測諸如癌細(xì)胞之類的東西,以確保藥物的精準(zhǔn)釋放??茖W(xué)家正在研究一種可以精準(zhǔn)控制運動的DNA結(jié)構(gòu)。如果你可以將這種機制和傳感器、電阻之類的東西相聯(lián)系,你就已經(jīng)在接觸納米機器了。所有的一切都由DNA創(chuàng)造!
DNA折紙技術(shù)簡單說來就是利用了DNA可以在微小片段的幫助下折疊成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),若將藥物裝在結(jié)構(gòu)里,添加上探測器可實現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療的技術(shù)。
顛覆性DNA折紙技術(shù)將引領(lǐng)材料界的“文藝復(fù)興”
來源:DeepTech深科技(mit-tr),作者:Mengxi Zhang
【編者按】DNA是一種傳遞生命密碼的神奇物質(zhì),全稱脫氧核糖核酸。它那現(xiàn)今為人所熟知的雙螺旋結(jié)構(gòu),在上世紀(jì)50年代曾引發(fā)眾多科學(xué)家的激烈爭辯。然而,在那場戰(zhàn)爭中最終勝出,并獲1962年諾貝爾獎的沃森和克里克肯定沒有想到,他們的后輩會更大膽、更有創(chuàng)造性。
除去本身帶有的遺傳信息意外,可能大家都不曾意識到,這種特殊的分子竟然會這么“好玩”。
隨著DNA折紙技術(shù)的發(fā)明,DNA的單鏈分子可以被折疊成各種不同的納米結(jié)構(gòu)。這些納米結(jié)構(gòu)可以作為框架,將不同的納米顆粒粘到它的每個頂點上,然后納米顆粒再鏈接到新的框架上,不斷反復(fù),最終形成各種形狀復(fù)雜的三維納米顆粒有序陣列。
這樣的技術(shù)很有可能完成納米技術(shù)的一次革命,成為第一種“通用型”納米結(jié)構(gòu)制造法。
沃森和克里克在研究DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。他們的成果發(fā)表在1953年4月25日的《自然》雜志中,被稱為“生物科學(xué)中最具有革命性的發(fā)現(xiàn)”。圖片來源:www.anfone.com
今年5月25日,《科學(xué)》雜志發(fā)表了來自MIT的馬克·巴特(Mark Bathe)教授等研究出的全自動化的DNA折紙設(shè)計算法,讓科學(xué)家們不必挨個設(shè)計成千上萬的堿基對就能得到心儀的DNA框架。有了這種可以隨意構(gòu)成各種形狀DNA框架,一種新的用途又應(yīng)然而生,即將DNA框架應(yīng)用于納米材料合成,這將有望用于輸送藥物、裝載像CRISPR這樣的基因改造工具、以及儲存信息等不同應(yīng)用。
利用馬克·巴特的算法DAEDALUS (DNA OrigamiSequence Design Algorithm for User-defined Structures)制作的DNA三維結(jié)構(gòu)。 圖片來源:MIT News
實際上,該項技術(shù)突飛猛進(jìn)的歷史只用了短短不到10年。2006年,隨著加州理工的保羅·羅特蒙德(Paul Rothmund)一篇《自然》雜志論文的問世,2維平面上的DNA折紙技術(shù)(DNA origami)誕生。故名思義,DNA折紙技術(shù)就是將長長的DNA單鏈像紙帶一樣折疊起來,再用短鏈加以固定,從而隨心所欲地構(gòu)建出各種圖形,比如方形、星型、甚至笑臉(見下圖)。
由DNA折紙術(shù)制作的各種形狀。圖片來源:Nature 2006, 440, 297
DNA之所以可以按需求被折疊、粘貼,還是要歸功于它獨特的雙螺旋結(jié)構(gòu):兩條平行、反向的單鏈之間按照精密的堿基互補原則相連接,A與T,G與C,就像一把鑰匙配一把鎖,具有唯一性和高度特異性(A為腺嘌呤,T為胸腺嘧啶,G為鳥嘌呤,C為胞嘧啶)。這些堿基的化學(xué)組成使得設(shè)計好ATGC排序的兩條DNA單鏈,能在茫茫鏈海中找到彼此,緊緊結(jié)合,最終組成研究人員想要的形狀。
平行、反向的DNA雙鏈上的堿基配對。A為腺嘌呤adenine,T為胸腺嘧啶thymine,G為鳥嘌呤guanine,C為胞嘧啶cytosine,堿基對之間由氫鍵相連(hydrogenbond)。圖片來源:鳳凰資訊(左圖)sync.hnadl.cn(右圖)
隨后,DNA折紙技術(shù)漸漸延伸到3維空間,利用DNA的雙鏈堿基互補原則來折疊、構(gòu)建DNA納米級立體框架的研究進(jìn)入飛速發(fā)展期。
DNA折紙技術(shù)的十年發(fā)展史(Ten years of DNA origami)  來源:Nature
基于三維DNA折紙技術(shù),由DNA為粘合劑的納米材料合成技術(shù)這一嶄新應(yīng)用被發(fā)明。這項技術(shù)既可以進(jìn)行高精密度的自組裝,又可實現(xiàn)近乎無限的設(shè)計方式,再加上DNA帶來的超高穩(wěn)定性(科學(xué)家們曾從五萬年前尼安德特人的骸骨中獲取DNA),DNA納米材料技術(shù)可謂前景無限。
其發(fā)明者奧利格·岡(Oleg Gang)來自美國的布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory),他也是2016年美國巴特勒“年度發(fā)明家”(BattelleInventor of the Year)的獲得者。在2008年的《自然》雜志中,他首次發(fā)表了《關(guān)于利用DNA雙鏈的特異互補性來“粘合”納米金顆粒以形成固態(tài)無機材料》的文章。這篇至今被引用近900次的論文,讓“DNA 納米技術(shù)”一躍成為大熱。
有了奧利格·岡最新研發(fā)的DNA自組框架技術(shù),用樂高積木或者M(jìn)inecraft(一種可以隨意建造的電子游戲)才能造出的奇妙世界可以輕易地在納米層面實現(xiàn)。這意味著,一種全新的新材料生產(chǎn)方式誕生了,并將有望應(yīng)用于制造自我修復(fù)涂層、全透明金屬、導(dǎo)電塑料、高效儲存氫能化合物等新型納米材料。
下面我們就一起來看一下,他們是如何像搭積木一樣,隨心所欲地操縱納米級顆粒、創(chuàng)造出高能屬性的新材料。
DNA樂高:將粘有短DNA單鏈(灰色波浪線)的納米顆粒(黃色球體)粘在多面體DNA框架的頂點上。這些框架可以有(自上而下)立方體、八面體、長四方雙錐、棱柱體和雙三角錐。框架的每個頂點上都是互補的DNA鏈,用于同納米顆粒進(jìn)行粘結(jié)。粘在框架頂點上的納米顆粒又能與新的DNA框架鏈接,不斷擴展,最終就能形成一個大的整體框架(如右圖)。圖片來源: Brookhaven National Laboratory
首先,需要挑選一種納米顆粒作為基本結(jié)構(gòu)單位,這些不可見的顆??梢员幌胂蟪梢粔K積木或者一塊磚頭。雖然同樣的磚頭可以造出千萬棟不同的大樓,但磚頭的硬度、密度、彈性都對大樓的建造有直接影響。因此,在傳統(tǒng)的納米技術(shù)中,納米顆粒必須被仔細(xì)加工,以適應(yīng)工程師想要的最終結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。
不過現(xiàn)在,就不再需要這么費事兒了。
根據(jù)的奧利格·岡的說法,有了他們團(tuán)隊的技術(shù),納米顆粒的材料可以是任何一種無機化合物,金、銀、銅、鐵,哪個順眼挑哪個。在挑好的納米顆粒上粘上密密一層被設(shè)計為特定序列的DNA單鏈。這樣,我們的磚頭就準(zhǔn)備好了。
準(zhǔn)備完磚頭之后,就要選擇作為粘合劑的多面體DNA框架了。這些多面體可以是立方體、八面體、長四方雙錐、棱柱體、雙三角錐等等,納米顆粒磚頭們會被粘到DNA框架的頂點上。
因此,這些框架的幾何形狀和排列將決定納米顆粒的陣列,最終影響所得納米材料的屬性,就像晶體中原子的晶格排布那樣決定材料光、電、磁的性質(zhì)。
這些DNA框架的設(shè)計和構(gòu)建如之前DNA折紙技術(shù)里所述,是依托DNA的堿基互補配對原則而實現(xiàn)的。這條原則在萬千物種上億年繁衍進(jìn)化中亙古不變:A-T,G-C這兩組堿基的在各自所屬DNA單鏈上的互補(腺嘌呤A,胸腺嘧啶T,鳥嘌呤G,胞嘧啶C )。
基于這條原則,DNA框架的形狀一經(jīng)選定,就能通過自組裝(self-assembly)完成。研究者要做的只是設(shè)計好相應(yīng)配對的短DNA單鏈(staple strands)和長DNA單鏈(scaffold strands)。有了強大的計算機系統(tǒng)的幫助,這比拿著定量菜譜做菜都簡單。在這一“菜譜”中涉及的框架邊長、頂點個數(shù)等參數(shù)都是小菜一碟。
當(dāng)框架完成后,頂點處的短DNA單鏈就會像章魚的觸手一樣,一端連在長DNA單鏈支架上,另一端預(yù)備著捕捉和它堿基互補的獵物:納米顆粒磚頭。
關(guān)于納米顆粒如何被嵌入方形DNA框架的概念圖(左側(cè))。左側(cè)上方的框架內(nèi)的DNA鏈(藍(lán)色波浪線)同納米顆粒(黃色球體)上的DNA鏈?zhǔn)腔パa的。 DNA框架外側(cè)的彩色鏈條代表著不同的末端堿基,這些堿基決定了被DNA框架包裹的納米顆粒模塊如何同彼此連接。圖中部的結(jié)構(gòu)是一個簡化、納米級的達(dá)芬奇的Vitruvian Man(達(dá)芬奇的名畫,里面主要展現(xiàn)了人體比例和黃金分割),由TLIYX幾種不同的納米顆粒模塊組合而成。圖右部是科學(xué)家們在原子力顯微鏡(atomic force microscopy)下生成的高倍數(shù)圖像(發(fā)表于《自然 化學(xué)》)。圖片來源: Brookhaven National Laboratory
最后,把粘有特定序列DNA單鏈的納米顆粒和做好的DNA框架放在一起,彼此互補的堿基就使它們自動、精準(zhǔn)地組成基本單位——2維或3維的DNA-納米顆粒格子框架(lattice)。無數(shù)多的格子框架延伸開去,就可得到各種形狀的納米顆粒陣列,生成夢想中的百變智能材料。百變,因所選納米顆粒和DNA框架近乎無限的擴展性;智能,因DNA堿基A-T和G-C的互補配對無需任何指導(dǎo)便自然發(fā)生。
順時針方向從左后開始:Yugang Zhang, Oleg Gang,Alexei Tkachenko, and Ye Tian,在布魯克海文的功能納米材料中心 (Centerfor Functional Nanomaterials)的一個冷凍電子顯微鏡(冷凍電鏡)實驗室里。圖片來源: Brookhaven National Laboratory
在奧利格·岡團(tuán)隊發(fā)表于《自然材料學(xué)》子刊的論文中,他們還利用X射線散射(X-ray scattering)和冷凍電子顯微鏡(cyro-electron microscopy)對其做出的DNA-納米顆??蚣艿慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗證。
達(dá)芬奇的Vitruvian Man畫。圖片來源:Flickr
除了能夠?qū)⒖苹秒娪袄锊庞械牡谰邘氍F(xiàn)實,這項研究震撼人心之處在于,既有自然(DNA)和人工(納米顆粒)的巧妙匹配,也有科學(xué)和藝術(shù)的融合。奧利格·岡及其同事利用該技術(shù)“畫”出了一幅納米級的Vitruvian Man。此作品不知是在致敬原作達(dá)芬奇,還是在致敬那個充滿想象力和創(chuàng)造力的、即將在材料界再次重現(xiàn)的“文藝復(fù)興”年代。
Science發(fā)表重大技術(shù)突破:
DNA折紙技術(shù)的“新變種”
來源:生物通,作者:何嬙
【導(dǎo)讀】在發(fā)表于《科學(xué)》(Science)雜志上的一項新研究中,亞利桑那州立大學(xué)的顏顥(Hao Yan)教授,與來自麻省理工學(xué)院和Baylor醫(yī)學(xué)院的同事們,描述了設(shè)計出由DNA構(gòu)建的幾何形體的一種新方法。他們提出了DNA折紙技術(shù)的一個新變種。
Francis Crick在1953年繪制的一張粗糙的鉛筆素描畫是倫敦維爾康姆圖書館(Wellcome Library)貴重的館藏之一。這張素描圖第一次展示了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。然而幾乎沒人預(yù)料到了DNA簡單的自組裝特性以及它萬能的承載信息的能力,能被應(yīng)用到Watson和Crick(或事實上,大自然本身)從未想過的許多領(lǐng)域。
在發(fā)表于《科學(xué)》(Science)雜志上的一項新研究中,亞利桑那州立大學(xué)的顏顥(Hao Yan)教授,與來自麻省理工學(xué)院和Baylor醫(yī)學(xué)院的同事們,描述了設(shè)計出由DNA構(gòu)建的幾何形體的一種新方法。他們提出了DNA折紙技術(shù)的一個新變種。DNA折紙技術(shù)是利用DNA的堿基配對特性在二維及三維空間中構(gòu)建出一些微小的結(jié)構(gòu)。
“無需太多人力輸入DNA鏈折疊路徑的有關(guān)細(xì)節(jié),以一種從上至下的方式設(shè)計出任何想要的結(jié)構(gòu)是DNA納米技術(shù)領(lǐng)域中一個重要的挑戰(zhàn),”顏顥說。
他的合作者M(jìn)ark Bathe領(lǐng)導(dǎo)麻省理工學(xué)院的研究人員,開發(fā)出了一種計算機算法僅通過輸入一個目標(biāo)形狀來設(shè)計出DNA納米結(jié)構(gòu)。他們設(shè)計出了一個可以計算和輸出必要的DNA鏈來形成設(shè)計架構(gòu)的軟件平臺。隨后在三家研究所用實驗證實了這些結(jié)構(gòu)的形成并系統(tǒng)確定了它們的特征。
該研究小組以驚人的分鐘時間尺度設(shè)計出了一些有用的結(jié)構(gòu)。并利用一些專門的成像技術(shù),包括原子力顯微鏡和低溫電子顯微鏡顯影了這些幾何形體。
這種簡化的技術(shù)有望大大擴展DNA折紙技術(shù)的使用超出專業(yè)團(tuán)體,擴展在生物分子科學(xué)和納米技術(shù)中可能的應(yīng)用范圍。這包括利用納米顆粒來傳遞藥物和靶向細(xì)胞,構(gòu)建能夠在醫(yī)藥和工業(yè)中執(zhí)行各種活動的納米機器人,設(shè)計出定制的光學(xué)設(shè)備。即將到來的更令人興奮的一個創(chuàng)新就是利用DNA作為儲存介質(zhì)(1克的DNA可以儲存700太字節(jié)的信息)。
智能折紙技術(shù)或?qū)⒁l(fā)植入式醫(yī)療裝置的革命
來源:DeepTech深科技(mit-tr),作者:李盼
10月24日,英國皇家化學(xué)會《Materials Horizons》雜志封面報道了荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(Delft University of Technology,TU Delft)的最新研究成果:利用預(yù)先設(shè)計的3D打印二維(2D)平面結(jié)構(gòu),在外界溫度激勵下實現(xiàn)2D結(jié)構(gòu)自發(fā)折疊,形成復(fù)雜三維(3D)立體結(jié)構(gòu)。該技術(shù)有望應(yīng)用于智能醫(yī)療植入物,如骨損傷恢復(fù)。
組織工程領(lǐng)域的終極目標(biāo)是完整再生出具備一定功能的組織器官,這對于多種疾病的治療具有革命意義。目前,組織再生領(lǐng)域的研究遍地開花,其中之一便是由荷蘭馬斯特里赫特大學(xué)(UMC)主導(dǎo)、代爾夫特理工大學(xué)(TU Delft)參與的大型研究項目:利用3D打印技術(shù)開發(fā)用于骨損傷恢復(fù)的個性化植入體。該項目于本月啟動,一旦成功,將有望促進(jìn)患者骨損傷快速恢復(fù),并極大地減少外科手術(shù)。
當(dāng)然,這種3D打印智能生物材料的應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止骨損傷恢復(fù)。目前,代爾夫特理工大學(xué)研究者Amir Zadpoor與萊頓大學(xué)醫(yī)學(xué)中心(LUMC)、馬斯特里赫特大學(xué)(UMC)等各大醫(yī)院密切合作,進(jìn)一步開發(fā)該技術(shù)的應(yīng)用潛力。
Zadpoor說:“理想情況下,生物材料既要具備特定的3D結(jié)構(gòu),其表面也要具備一定的納米級圖形化結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)(3D Printing)能夠提供制造復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的方法,但是卻難以兼顧表面的結(jié)構(gòu)化;納米光刻技術(shù)(Nanolithography)能夠制造復(fù)雜的納米級表面圖形化結(jié)構(gòu),然而僅僅局限于2D平面。然而,卻鮮有能夠結(jié)合兩者的方法?!?div style="height:15px;">
然而,Zadpoor卻從古老的日本折紙(Origami)藝術(shù)中找到了方法。
Zadpoor說:“自然界的生物體會利用多種激發(fā)機制來控制其形狀和功能的變化。受到自然界的啟發(fā),我們研究團(tuán)隊利用特殊設(shè)計的2D平面結(jié)構(gòu),在外界刺激(如溫度變化)下自發(fā)變形,演變成復(fù)雜的3D立體形狀?!?div style="height:15px;">
首先,利用3D打印技術(shù)打印出預(yù)先設(shè)計的特定2D平面結(jié)構(gòu);然后,在2D平面結(jié)構(gòu)上光刻出納米級圖形化結(jié)構(gòu);最后,裝飾有納米級圖形化結(jié)構(gòu)的2D平面結(jié)構(gòu)在特定激發(fā)條件(例如,溫度變化)下,按特定規(guī)則自發(fā)折疊形成復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。
四種基本折紙變形模式,其中紅色代表形狀記憶合金(SAM),藍(lán)色代表超彈性材料。圖片來源:DOI:10.1039/c6mh00195e
研究者利用雙層或多層形狀記憶合金(SMP)與超彈性聚合物材料,結(jié)合多種不同預(yù)先設(shè)計的排列,獲得四種基本折紙變形模式:(a-d)分別為自卷曲(self-rolling)、自纏繞(self-twisting,也稱自螺旋)、自卷曲結(jié)合自褶皺(self-wrinkling)以及波浪狀條帶(wave-like strips)。
三種復(fù)合結(jié)構(gòu)形變。圖片來源:DOI:10.1039/c6mh00195e
此外,這些基本的變形模式還可以相互結(jié)合,形成復(fù)合結(jié)構(gòu)形變:(a-c)分別為仿DNA自螺旋結(jié)構(gòu)、蜂巢狀結(jié)構(gòu)演變、自折疊結(jié)構(gòu)。
單片自螺旋結(jié)構(gòu)表面的多種微小表面圖形化結(jié)構(gòu)。上圖為表面微型結(jié)構(gòu),下圖為自螺旋3D結(jié)構(gòu)。圖片來源:DOI: 10.1039/c6mh00195e
此外,Zadpoor團(tuán)隊在自折疊結(jié)構(gòu)表面光刻出不同類型的納米級圖形化結(jié)構(gòu)。如此,隨外界刺激可變形的智能3D結(jié)構(gòu)生物材料,結(jié)合材料表面的微型結(jié)構(gòu),能夠更好的模擬人體組織結(jié)構(gòu)的形狀和功能,有望應(yīng)用于組織再生領(lǐng)域。
Zadpoor說:“雖然這只是實現(xiàn)智能醫(yī)療植入體的第一步,但是其深遠(yuǎn)意義卻不容小覷。”
參考: Programmingthe shape-shifting of flat soft matter: from self-rolling/self-twistingmaterials to self-folding origami DOI:10.1039/C6MH00195E
你知道“DNA折紙技術(shù)”嗎?
來源:轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)網(wǎng)(ID:zhuanhuayixue)
作者:sunlinney
提及DNA,相信大家一定都不陌生,它是脫氧核糖核酸的簡稱,作為生命遺傳信息的儲存物質(zhì)廣泛存在于生物體內(nèi)。DNA即多個脫氧核苷酸的聚合物,每個核苷酸又由一個脫氧核糖(戊糖)、一個磷酸和一個含氮堿基三部分組成。不同的核苷酸區(qū)別在于堿基,有兩類堿基:嘌呤類包括腺嘌呤(A)和鳥嘌呤(G),嘧啶類包括胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。核苷酸之間靠磷酸二酯鍵連接,即一個核苷酸的5’磷酸基和另一個核苷酸的3’羥基形成共價鍵,且該鍵是有方向的。兩條DNA單鏈靠堿基對之間的氫鍵能夠反向結(jié)合在一起形成雙鏈,配對的原則是:一條鏈的A(或T)與另一條鏈的T(或A)配對,中間含有兩個氫鍵;一條鏈的C(或G)與另一條鏈的G(或C)配對,中間含3個氫鍵。在熱力學(xué)驅(qū)動下,兩條互補的單鏈DNA分子自發(fā)雜交,在雜家的過程中,DNA雙鏈通過氫鍵、范德華力和靜電力互相作用,嚴(yán)格遵守Watson-Crick堿基互補配對原則。
2006年,Rothemund首次提出了一種全新的DNA自組裝方法——DNA折紙術(shù),并以封面文章的形式在Nature雜志上發(fā)表。所謂DNA折紙術(shù),就是利用DNA分子的特殊結(jié)構(gòu)和堿基互補配對規(guī)則,將天然DNA長鏈的特定區(qū)域進(jìn)行折疊,并用短鏈加以固定,構(gòu)造出預(yù)期的結(jié)構(gòu)。隨著研究的不斷進(jìn)行,DNA折紙術(shù)結(jié)構(gòu)的尺寸和穩(wěn)定性得到了明顯的改善,DNA折紙術(shù)得到的納米結(jié)構(gòu)可以作為單分子反應(yīng)的平臺,也可作為功能納米粒子、生物分子、量子點組裝的模板。2012年,Jiang等人采用三角形或管狀DNA折紙結(jié)構(gòu)作為抗癌藥物載體,顯著降低了癌癥細(xì)胞的耐藥性。這說明DNA折紙術(shù)結(jié)構(gòu)作為藥物的載體在相關(guān)疾病監(jiān)測和治療方面發(fā)揮了特殊的優(yōu)勢。
其實,對于生物學(xué)家和醫(yī)藥工作者而言,嘗試以DNA作為藥物遞送材料有很多顯而易見的好處。
首先,與其他被嘗試用作藥物載體的常見金屬納米材料和聚合物材料相比,DNA自身對人體無毒性。人們的日常飲食里面就含有大量來自其他動植物的DNA,這些外源DNA在人體內(nèi)最終被降解和重新吸收利用,不會對人自身的基因產(chǎn)生影響。其次,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),DNA分子被折疊成致密且具有一定剛性的納米結(jié)構(gòu)之后,會變得比線性的單、雙鏈DNA更容易被活細(xì)胞攝取。通常情況下,細(xì)胞膜帶負(fù)電荷,而DNA分子也帶負(fù)電荷,兩者間的靜電斥力使得細(xì)胞不易吸收DNA分子。傳統(tǒng)的生物技術(shù)通常要借助帶有大量正電荷的陽離子轉(zhuǎn)染試劑,才能將DNA分子送入細(xì)胞內(nèi),但是這些試劑往往具有明顯的細(xì)胞毒性,大大限制了它們在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用;而DNA納米結(jié)構(gòu)能被細(xì)胞主動攝取,可能因為DNA納米結(jié)構(gòu)與病毒顆粒具有類似的形態(tài)。由此,DNA納米結(jié)構(gòu)作為藥物載體就能不借助轉(zhuǎn)染試劑而進(jìn)入細(xì)胞發(fā)揮作用,更加方便和安全。DNA納米結(jié)構(gòu)在生理環(huán)境下還比線性的單、雙鏈DNA更穩(wěn)定,可維持相對更長的時間不被降解,適于用來保護(hù)藥物分子,在藥物被降解之前將其送達(dá)體內(nèi)的目標(biāo)位點。
研究者曾用DNA折紙結(jié)構(gòu)裝載抗腫瘤藥物阿霉素。實驗結(jié)果表明,DNA折紙結(jié)構(gòu)的存在可以大大增強阿霉素對耐藥腫瘤細(xì)胞的殺傷作用。并且由于載體的存在,藥物在動物體內(nèi)的循環(huán)時間也明顯延長,有利于降低給藥劑量和減輕毒副作用。
DNA折紙術(shù)作為新興的研究策略,在構(gòu)造二維和三維納米組裝結(jié)構(gòu)的研究中,將對DNA芯片、納米原件與材料等領(lǐng)域的研究起到巨大的推進(jìn)作用。隨著DNA折紙術(shù)研究的不斷深入,其在納米器件、疾病監(jiān)測與治療等諸多領(lǐng)域上的困難將逐步得到解決。
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