納米技術(shù)人員正在使用DNA(存在于生物體中的遺傳物質(zhì))及其多功能表親RNA作為原材料，以努力構(gòu)建微型設(shè)備，這些設(shè)備有可能充當(dāng)藥物輸送工具，用于生產(chǎn)藥品和化學(xué)藥品的微型納米工廠，或電氣和光學(xué)技術(shù)中高度敏感的元素。
像自然界中的基因DNA(和RNA)一樣，這些經(jīng)過工程設(shè)計(jì)的納米技術(shù)設(shè)備也由鏈組成，這些鏈由簡(jiǎn)寫為A，C，T和G的四個(gè)堿基組成。這些鏈中的區(qū)域可以自發(fā)折疊并結(jié)合通過短互補(bǔ)堿基序列彼此互補(bǔ)，其中一個(gè)序列中的As與另一序列中的Ts特異性結(jié)合，Cs與Gs特異性結(jié)合。Wyss生物啟發(fā)工程研究所和其他機(jī)構(gòu)的研究人員已使用這些功能來設(shè)計(jì)自組裝納米結(jié)構(gòu)，例如腳手架DNA折紙和具有不斷增長(zhǎng)的尺寸和復(fù)雜性的DNA磚，這些結(jié)構(gòu)對(duì)于各種應(yīng)用都變得有用。但是，將這些結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)，部分原因是由于缺少機(jī)架，這些多鏈系統(tǒng)易于出現(xiàn)局部缺陷。此外，它們可自組裝成數(shù)百至數(shù)千個(gè)單獨(dú)的DNA序列，每個(gè)序列都需要進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試才能用于高精度應(yīng)用，并且其昂貴的合成過程通常會(huì)產(chǎn)生不需要的副產(chǎn)物。
現(xiàn)在，由來自Wyss研究所，亞利桑那州立大學(xué)和Autodesk的研究人員合作在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的新穎方法首次使復(fù)雜的單鏈DNA和RNA折紙的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，這些折紙可以自動(dòng)折疊成各種不同的，穩(wěn)定的，用戶定義的結(jié)構(gòu)。與多鏈納米結(jié)構(gòu)的合成相反，這些全新的折紙類型是從一條單鏈折疊而成的，可以在活細(xì)胞中復(fù)制，從而可以大規(guī)模，高純度地進(jìn)行潛在的低成本生產(chǎn)，從而開辟了全新的局面藥物輸送和納米加工等各種應(yīng)用的機(jī)會(huì)。
較早的較大尺寸的折紙由中央腳手架線組成，其折疊和穩(wěn)定性需要兩百多條短釘短線來橋接腳手架的遠(yuǎn)處并將其固定在空間中。Wyss研究所核心教員和通訊作者彭寅博士說：“與由數(shù)百種組件組裝而成的傳統(tǒng)腳手架折紙相比，我們的新方法使我們能夠可靠地設(shè)計(jì)和合成穩(wěn)定的單鏈和自折疊折紙。” .D。“我們的根本性新方法依靠單鏈折疊而不是多組分組裝來產(chǎn)生大的納米結(jié)構(gòu)。這與在細(xì)菌中基本克隆和繁殖單組分鏈的能力結(jié)合在一起，
為了首先能夠生產(chǎn)具有不同折疊模式的單鏈且穩(wěn)定的基于DNA的折紙，該團(tuán)隊(duì)必須克服一些挑戰(zhàn)。在經(jīng)歷復(fù)雜折疊過程的大DNA鏈中，許多序列需要與彼此遠(yuǎn)離的序列精確配對(duì)。如果此過程沒有以有序和精確的方式進(jìn)行，則該線束會(huì)糾結(jié)并在沿途形成不特定的結(jié)，從而使其失去作用。“為避免此問題，我們確定了新的設(shè)計(jì)規(guī)則，可用于在不同雙鏈區(qū)域之間交叉DNA鏈，并開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具，該工具可讓研究人員將許多此類事件整合到一條折疊路徑中，從而大型無結(jié)納米復(fù)合物，”該研究的韓東然博士說。
先前創(chuàng)建的最大的DNA折紙結(jié)構(gòu)是通過在體外分別合成所有組成序列并將它們混合在一起而組裝而成的。作為新設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵特征，DNA折紙的單鏈性使研究人員能夠?qū)NA序列穩(wěn)定地引入大腸桿菌中，從而在每次細(xì)胞分裂中廉價(jià)且準(zhǔn)確地復(fù)制它們。漢說：“例如，這可以大大促進(jìn)單鏈折紙為高精度納米技術(shù)(如藥物輸送媒介)的發(fā)展，因?yàn)閮H需驗(yàn)證和批準(zhǔn)一個(gè)易于生產(chǎn)的分子。”
最后，研究小組還使單鏈折紙技術(shù)適應(yīng)了RNA，作為一種不同的核酸材料，它提供了某些優(yōu)勢(shì)，包括例如更高的細(xì)菌生產(chǎn)水平，以及對(duì)潛在的細(xì)胞內(nèi)和治療性RNA應(yīng)用的實(shí)用性。將方法轉(zhuǎn)換為RNA還可將合成RNA結(jié)構(gòu)的大小和復(fù)雜性擴(kuò)大到與以前由RNA制造的結(jié)構(gòu)相比的10倍。
他們的概念驗(yàn)證分析還證明，突出的DNA環(huán)可以精確定位，并可用作功能蛋白附著的手柄。因此，在未來的發(fā)展中，單鏈折紙可能會(huì)通過將酶，熒光探針，金屬顆粒或藥物附著在其表面或內(nèi)部空腔中而潛在地功能化。這可以有效地將單鏈折紙轉(zhuǎn)換成納米工廠，光敏和發(fā)射光學(xué)設(shè)備或藥物輸送工具。
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