Science：利用可切換形狀的DNA機器儲存信息

來源：作者：人氣：-發表時間：2017-06-27 09:03:00【大中小】

在一項新的研究中，來自中國上海交通大學、美國艾默理大學和普渡大學的研究人員利用DNA構建出簡單的機器，這種機器是由DNA陣列組成，這些DNA陣列由可逆地在兩種不同的形狀之間進行切換的模塊化DNA結構單元組裝而成。他們說，這些DNA機器可能被用來制造納米傳感器或放大器。潛在地，它們可能經組合后形成邏輯門，即分子計算機的零件。相關研究結果于2017年6月22日在線發表在Science期刊上，論文標題為“Reconfiguration of DNA molecular arrays driven by information relay”。論文通信作者為艾默理大學-佐治亞理工學院庫爾特生物醫學工程系助理教授Yonggang Ke博士、上海交通大學電子信息與電氣工程學院科學家Jie Song和普渡大學化學系Chengde Mao。

作為對一種外部觸發器作出的反應，DNA陣列改變形狀。
圖片來自Yonggang Ke。

Ke說，這些DNA機器能夠在空間中傳遞離散的信息位，或者放大信號。Ke說，“在基于DNA的計算領域，DNA含有信息，但是這些DNA分子在溶液中漂浮著。這項新研究的新穎之處在于我們在一種真實的機器中將這些DNA零件連接在一起。”

類似地，幾家實驗室已利用DNA制造出納米機器，如鑷子和輪椅。Ke說，他的團隊對DNA陣列的研究闡明了如何制造出具有更加復雜的動態行為的結構。

這些DNA陣列的結構看起來像是手風琴式的可伸縮安全門。延伸或收縮一個結構單元也會導致附件的結構單元改變形狀，就像多米諾骨牌那樣發揮作用。

這些DNA陣列的結構單元利用DNA雙螺旋堆棧在一起時獲得的能量保持穩定性。為了保持穩定，這些結構單元的四個片段能夠肩并肩地在兩種不同的方向上成對排列。通過讓一條DNA鏈在一個DNA陣列的邊緣延伸出來，這些研究人員構建出一種外部觸發器。當加入這條DNA鏈時，它擠壓位于邊緣的結構單元，從而改變其形狀。

為了可視化觀察這些DNA陣列，這些研究人員采用了原子力顯微鏡。他們構建出長方形的11x4 DNA陣列和11x7 DNA陣列，加入觸發鏈，隨后能夠觀察到這種多米諾骨牌效應從位于拐角處的結構單元傳播到DNA陣列的其余部分。

通過在這些DNA陣列上設計斷裂點，就能夠在選定的位點上停止或重新開始它們的多米諾骨牌效應。這些結構單元的形狀轉化可通過溫度或化學變性劑加以調節。

作為參考，這些長方形DNA陣列大約寬50納米，長幾百納米，略比一個HIV或流感病毒顆粒小一些。

為了構建這些DNA陣列結構，這些研究人員采用折紙術和模磚（modular brick）方法。這兩種長方形DNA陣列是通過DNA鏈在溶液中尋找它們的互補鏈進行自我組裝。在溫度升高或存在變性劑的條件下，這種折紙術導致更加穩定的結構形成。

在這項新的研究中，這些研究人員證實他們能夠利用DNA陣列的結構單元構建出長方形DNA陣列機構和管狀DNA陣列機構。他們也能夠構建出具有三種基礎構象的長方體DNA陣列機構，而這些二維的DNA陣列結構單元僅具有兩種構象。Ke說，他的團隊正在努力研究利用這些相同的基礎設計原則制造更大的更加復雜的具有三維形狀的機器。

參考文獻

Reconfiguration of DNA molecular arrays driven by information relay