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谈及DNA,仍然只想起双螺旋结构,那你Out了!

来源:生物谷 2016-06-21 23:22


DNA桶,图片来自Campbell Strong、Shawn Douglas和Gaël McGill。

2016年6月21日/生物谷BIOON/--提起DNA,我们还是想起经典的双螺旋结构?那就Out了。利用DNA中的碱基配对原则,科学家们能够利用DNA分子构建出各种各样的结构,而且这些结构具有远非我们能够想象的用途。

DNA是大自然中一种最为神奇的分子之一。从微观而言,它携带的遗传指令是产生地球上几乎任何一种生物所必需的。如今,科学家们正在发现新的方法推动DNA的进一步应用:不仅利用它储存遗传信息,而且也利用它构建众多生物机器(biological machine)中的物理组件。

DNA携带包括人类在内的所有生物用来发挥功能的遗传信息。它通常呈现出著名的双螺旋形状,由两条单链DNA分子折叠成螺旋结构。每种DNA都是由一连串4种不同的碱基:腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)以及胞嘧啶(C)组成的。

基因是由不同的碱基序列组成的DNA片段,这些碱基出现在DNA链上的次序就是基因编码的遗传信息。但是,通过准确地设计不同的碱基(A、G、T和C)序列,科学家们最近能够利用DNA折纸术(DNA origami)将DNA折叠成不同的形状,而不是常规的双螺旋结构[1]。

这种方法为DNA的新用途(而不是它的遗传和生物学功能)提供可能:将它转化为类似乐高的材料从而用来建造直径仅仅为几十亿分之一米的物体。如今,基于DNA的材料正被用于各种各样的应用之中,比如用作构建纳米设备的模件,再比如准确地将药物运送到患病细胞中,等等。

基于DNA的纳米温度计

设计尺寸仅仅纳米大小的电子设备为各种各样可能的应用开辟道路,但是这也使得人们更难观察到它们当中的缺陷。作为一种解决这种问题的方法,来自加拿大蒙特利尔大学的研究人员利用DNA构建出超灵敏的纳米温度计,它们能够发现纳米设备中的微小热点(这表明存在缺陷)[2]。它们也能够被用来监控活细胞内的温度。

这些纳米温度计是利用作为起着开关作用的DNA环制作而成的,它们通过折叠或展开对温度变化作出反应。这种运动能够通过将光学探针(optical probe)附着到这种DNA环上而被检测到。如今,研究人员想要利用这些纳米温度计构建出更大的能够在人体内工作的DNA设备。

生物纳米机器人

来自美国哈佛医学院的研究人员利用DNA设计和构建出一种纳米大小的机器人,它被用作一种药物运送载体靶向作用于特定的细胞[3]。这种纳米机器人呈现出开放的DNA桶结构:它的两半由一种铰链区连接在一起,而且特殊的DNA柄让这种铰链区保持关闭状态。这些DNA柄能够识别细胞表面上存在的特异性蛋白组合,如与疾病相关联的特异性蛋白组合。

当这种纳米机器人与靶细胞接触时,它打开DNA桶结构,运送它的装载物。当用于健康的人血细胞和发生癌变的人血细胞的混合物中时,这种纳米机器人能够靶向杀死一半癌细胞,而健康的细胞不受到影响。

活体动物体内的生物计算机

鉴于DNA结构能够起着开关的作用,能够来回地从一个位置移动到另一个位置,因而它们能够被用来执行逻辑运算,这就使得利用DNA进行计算机计算成为可能。来自美国哈佛大学和以色列巴伊兰大学的研究人员利用这种性质构建出不同的能够彼此之间相互作用的纳米机器人,利用它们的DNA开关对不同的信号作出反应,和产生不同的信号[4]。

更重要的是,研究人员将这些不同的纳米机器人植入活的动物体内(在这项研究中,指的是蟑螂)。这允许他们开发出一种新类型的生物计算机而能够通过开启或关闭它们结构中的组分,控制治疗分子在蟑螂体内运送。如今,利用这些DNA纳米机器人开展的一项临床试验预计在人体内进行。

捕光天线

除了构建微型机器外,DNA也能够为我们提供一种在纳米水平上复制自然过程的方法。比如,大自然能够利用光合作用将太阳光转化为化学能而能够捕获来自太阳的能量,这些化学能是植物和其他生物的养料。如今,来自美国亚利桑那州立大学和加拿大英属哥伦比亚大学的研究人员构建出能够模拟光合作用捕获和转移光线的三臂DNA结构[5]。

光合作用之所以在植物、某些细菌和藻类中发生是因为它们含有由大量色素组成的微型天线,其中这些色素按照特定的方向和彼此之前相隔一定距离排列,能够吸收可见光。这些人工构建的基于DNA的结构起着类似于天线的作用,控制着吸收光能的特定染料分子在这种结构中的位置,并且将吸收的光能传输到反应中心,在那里将光能转化为化学能。这项研究可能为利用DNA开发出能够更加高效地使用最为丰富能源---太阳光—-供人类使用的设备铺平道路。

因此,DNA纳米技术的下一个应用是什么呢?这很难知道,但是大自然已给我们提供一种功能非常强大的工具:DNA。如今,正是我们充分利用它的时候了。(生物谷 Bioon.com)

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参考资料:

[1].Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns.
doi:10.1038/nature04586

[2]. Programmable Quantitative DNA Nanothermometers.
doi:10.1021/acs.nanolett.6b00156

[3]. A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular Payloads
doi:10.1126/science.1214081

[4]. Universal computing by DNA origami robots in a living animal
doi:10.1038/nnano.2014.58

[5]. A DNA-Directed Light-Harvesting/Reaction Center System
doi:10.1021/ja509018g

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