十一篇文章帶你初步了解DNA納米技術的發展歷程

自DNA的雙螺旋結構發現以來，我們印象中的DNA就是這樣的：

可如今，DNA還可以是下面這樣的：

這就是通過DNA納米技術得到的圖形。

DNA納米技術是一種多學科交叉的研究領域，主要利用DNA（脫氧核糖核酸）尺寸為納米級別、剛性結構、編碼性強的特點來構造各種納米結構，應用于生物醫學、化學、材料等領域。DNA納米技術的發展刷新了人們對DNA這一生物大分子的認識，它不僅僅能作為生命遺傳信息的載體，還能夠作為納米結構的構建工具。自1982年以來¹，DNA納米技術經歷了近40年的發展，最初出現是的Tile組裝，從簡單DNA十字結構到DNA結構模塊構建百家爭鳴²，而使用Tile組裝構建各種DNA納米圖形也得以實現^3-5，自此DNA納米技術領域初步成型。2006年，DNA折紙術⁶的發現則宣示了該領域一個新紀元的開始， DNA納米結構的構建更是得到了空前的發展^7-10。最近，人們已經能夠實現復雜DNA圖案可控自組裝圖形構建了¹¹，其圖形之精確令人驚嘆！本文將從DNA納米構圖的角度，以十一篇文獻講述DNA納米技術發展過程中的問題解決之路，希望能帶領讀者對DNA納米技術的發展有一個初步的了解！

開創篇

DNA納米技術的鼻祖當屬紐約大學的Ned Seeman教授了。1982年，紐約大學的Seeman教授首次提出了十字叉狀的Holiday結構不同于常規的線狀雙鏈DNA，它多出了兩個方向，可以作為結構單元用于合成更為復雜、尺寸更大的二維結構。只要通過合理的設計，使得四條單鏈之間的堿基互補配對具有唯一性，減少序列的對稱性，就可以得到固定的、十字叉狀的Holiday類似結構。倘若在該十字結構的四條臂的末端添加合適的粘性末端，即可實現將多個十字叉結構單元組裝成較大的二維甚至三維復雜結構。次年，Seeman團隊正式設計出了這種固定的十字結構，稱為“四臂結”。一個四臂結被稱為一個Tile，多個Tile可以通過粘性末端鏈接到一起，得到二維結構，從而開創了Tile組裝。

小結：四臂結Tile 結構的成功構建及使用預示著DNA納米技術黃金時代的到來，DNA不再只是單純的生物大分子，還可以是納米結構的構造工具。但此時的四臂結Tile結構相對簡單，且四臂張開，具有較大的靈活性。存在產物結構無法預測的問題。若要構建更為多樣的圖形則需要開發更加堅固而穩定的Tile 結構單元。

發展篇

1993年，Seeman團隊在四臂結基礎上進行改進，將兩股雙螺旋結構并列排布，并在其內部引入交叉（crossover），形成一種更為穩定的Tile結構，稱之為DX（Double Crossover），DX的類型有很多種，主要依據兩個DNA雙螺旋螺旋軸的相對方向是平行還是反平行的來進行區分。但由于實驗證實，平行的DX在納米構造中表現欠佳，故在后期廣泛使用的都是反平行的DX分子。若交叉點中間間隔了偶數個半螺旋則稱為DAE（Double Antiparallel Even），若交叉點間的半螺旋數目是奇數，則稱其為DAO（Double Antiparallel Odd）。

小結：DX的成功構建，解決了多臂結靈活度高，組裝產物結構不確定的弊端，為后期研究DNA納米構圖奠定了基礎，但其結構的穩定性仍有待提高。

1998年，加州理工學院的Winfree團隊在Wang Tile的啟發下，首次使用DX作為結構基元組裝出了帶有條紋的二維平面網格結構，并且還使用原子力顯微鏡（AFM）證實了產物的存在，這項研究以題為“Design and self-assembly of two-dimensional DNA crystals”被發表在Nature雜志上。從此，DNA納米技術也逐漸受到人們的關注。

小結：這項工作證實了DX可以用來構造二維平面結構，是DNA納米構圖的一個里程碑。但其依然存在組裝形狀尺寸不可控以及DX固有的結構穩定性的問題。另外，更復雜的三維結構的構造仍是當時面臨的挑戰。

2003年, 顏顥團隊在四臂結和DX的基礎上，將四臂結的每一條臂的單個雙螺旋替換成含內部交叉的并排的雙螺旋結構（也就是DX結構），從而開發出了一種十字Tile。其結合了四臂結和DX二者的優點，結構穩定性有所提高。

小結：這種十字Tile表現出更好的剛性，大大優化了組裝結構的穩定性。

2005年，顏顥團隊提出了一種有限尺寸DNA組裝結構的構造方法，僅僅利用少量的幾種帶有粘性末端的Tile結構，就可以組裝出設定尺寸的二維陣列圖形。文中嘗試了多種類型的Tile結構，都可以實現組裝。

小結：這一成果證實Tile組裝也可以實現有限尺寸圖形的構造，為解決Tile組裝產物尺寸不可控的問題提供了思路。但Tile組裝結構產率低，對化學計量比要求較高也是尚待解決的問題。

進階篇

2006年，加州理工學院的Rothemund開發了一種新的DNA自組裝技術，稱為DNA折紙術。他們選用噬菌體DNA M13mp18作為長鏈，然后用兩百多條短的單鏈DNA通過堿基互補配對原則，將長鏈折疊成想要的二維圖形。Rothemund團隊使用這種方法得到了矩形、三角形、五角星和笑臉等多種平面圖案。此外，這種方法構造的納米圖形具有很好的可尋址性，在合適的位置引入發夾結構還可以得到具有不同圖案的二維圖形。

小結：DNA折紙術只需要將長鏈和若干短鏈混合起來進行退火，就可以得到想要的組裝結構，操作相對Tile組裝更加容易，對各組分的濃度比例要求更低。另外，DNA折紙術可以得到的產物復雜度更高，不再是簡單的一些規整的幾何圖形了。納米組裝結構的內部具有很多的交叉結構，大大增加了結構的穩定性，為其應用于其他各領域奠定了基礎。同時，Rothemund還將6個三角形的圖案組合成了一個大的六邊形，這也為大圖形的構建提供了思路。不得不說，DNA折紙術的發現讓DNA納米技術的發展有了一個很大的飛躍。

但本文僅僅使用DNA折紙術構建了一些對稱的二維圖形，對于不對稱的或者三維的復雜不行的構造仍有待探索。另外，DNA折紙術相對與Tile組裝的一點不足在于其受到長鏈長度的限制，對于構建尺寸較大的結構稍顯困難。

2006年，當時還在上海交通大學的錢璐璐等很快就利用DNA折紙術“折”出了中國地圖的圖案，這也是利用DNA折紙術的方法構建的第一個不對稱的納米圖形。

2008年，丹麥的Andersen E S等在此基礎上更進一步，成功組裝除了納米尺度的海豚形狀，并且海豚還具有一條可以運動的尾巴。

小結：這些成果都證明了DNA折紙術可以實現不對稱圖形的組裝，甚至可以用于動態結構的構造中去。不過，當時所構建的圖形仍然基于長為7000多bp的長鏈，因而尺寸不會很大。

2010年，顏顥團隊意識到DNA折紙術是一種十分有潛力的自組裝體系，但尺寸受限卻是其一大痛點，如何突破長鏈長度的限制獲得尺寸更大的組裝圖形是DNA折紙術的一大挑戰。他們使用長為1140 nt的M13的一部分作為長鏈骨架與短鏈組裝成了34 nm × 22 nm的小長方形，再用另一條長鏈將9個這樣的小長方形連接起來，就可以得到尺寸擴大的圖形。作者指出，若使用70 nm × 90 nm的長方形Origami來折疊像λDNA（45000 nt）（倘若可以得到的話），就可能得到尺寸到微米級別的超級DNA折紙結構。

小結：本文提出了一種擴大DNA折紙圖形尺寸的思路，為后期關于Scale up Origami的研究給出了一種可選的方法。但是，這種方法依然需要特殊的長鏈，在一定程度上，對于某些尺寸較大的圖形的組裝依然會受到限制。

2011年，Seeman團隊認為想要將DNA origami圖形的尺寸進一步放大的一條思路就是將單個DNA origami等價于一個Tile單元，那么DNA origami Tile結構因其內部多交叉，實際上就是一個更大版本的DX （雙交叉）。早期已有研究證明，DX是可以成功形成二維大尺寸晶體結構的，那么使用DNA origami理應也可以實現。遺憾的是，他們失敗了。后來，他們通過改進，設計了一種十字形的DNA origami結構，實現了基于DNA origami 的二維結構的形成。

小結： 這一方法實現了DNA 折紙用于二維晶體形成的零的突破，且構建了截至目前為止最大的二維DNA折紙結構。但是，這種方法得到的圖形尺寸難以控制，對于一些有限尺寸的圖形組裝將不適用。此外，因每一個Tile在二維結構中的位置不確定，因而利用這種方法得到具有復雜圖案的形狀的研究難以實現。

2017年，錢璐璐團隊采用了Scale up 方法中的另一種：分層組裝。使用64種DNA折紙單元，先形成2×2的圖形，再形成4×4的圖形，然后形成8×8的圖形，通過這種方法得到的最終圖形的面積是Rothemund曾經折出的經典DNA origami的64倍，尺寸達到微米級別。他們將每一塊DNA origami單元的邊緣都進行精心設計，保證其能在特定的位置同特定的DNA origami 結合到一起，從而形成尺寸可控的結構。另外，他們還開發了相應的軟件，可以將用戶想要的圖形轉換成相應的帶發夾結構的DNA鏈，從而實現了不同圖案的大尺寸DNA折紙的自組裝。

小結：本文提供了一種基于DNA折紙的、尺寸可控的大圖形的通用組裝方法，并且可以設計復雜的圖案，真正實現了控制DNA折紙自組裝形成用戶指定的圖案的二維圖形。

結語：DNA納米技術發展至今，已經可以組裝出許許多多復雜的二維、三維甚至帶有曲面的結構。其應用領域也涵蓋了化學、生物醫學、材料及物理等。幾十年來，經過若干科學家的努力，讓這一新興領域逐步發展了起來，我們也期待未來DNA納米技術將在各領域中大放異彩。

參考文獻
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本文由納米組Jing供稿，材料牛編輯整理。

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