Science：利用可切換形狀的DNA機(jī)器儲存信息

　　威正翔禹生物viansaga導(dǎo)讀：在一項新的研究中，來自中國上海交通大學(xué)、美國艾默理大學(xué)和普渡大學(xué)的研究人員利用DNA構(gòu)建出簡單的機(jī)器，這種機(jī)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(jìn)行切換的模塊化DNA結(jié)構(gòu)單元組裝而成。他們說，這些DNA機(jī)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(jīng)組合后形成邏輯門，即分子計算機(jī)的零件。相關(guān)研究結(jié)果于2017年6月22日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)題為“Reconfiguration of DNA molecular arrays driven by information relay”。論文通信作者為艾默理大學(xué)-佐治亞理工學(xué)院庫爾特生物醫(yī)學(xué)工程系助理教授Yonggang Ke博士、上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院科學(xué)家Jie Song和普渡大學(xué)化學(xué)系Chengde Mao。

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

　　Ke說，這些DNA機(jī)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(lǐng)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(jī)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(jī)器，如鑷子和輪椅。Ke說，他的團(tuán)隊對DNA陣列的研究闡明了如何制造出具有更加復(fù)雜的動態(tài)行為的結(jié)構(gòu)。

　　這些DNA陣列的結(jié)構(gòu)看起來像是手風(fēng)琴式的可伸縮安全門。延伸或收縮一個結(jié)構(gòu)單元也會導(dǎo)致附件的結(jié)構(gòu)單元改變形狀，就像多米諾骨牌那樣發(fā)揮作用。

　　這些DNA陣列的結(jié)構(gòu)單元利用DNA雙螺旋堆棧在一起時獲得的能量保持穩(wěn)定性。為了保持穩(wěn)定，這些結(jié)構(gòu)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(gòu)建出一種外部觸發(fā)器。當(dāng)加入這條DNA鏈時，它擠壓位于邊緣的結(jié)構(gòu)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(gòu)建出長方形的11x4 DNA陣列和11x7 DNA陣列，加入觸發(fā)鏈，隨后能夠觀察到這種多米諾骨牌效應(yīng)從位于拐角處的結(jié)構(gòu)單元傳播到DNA陣列的其余部分。

　　通過在這些DNA陣列上設(shè)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(yīng)。這些結(jié)構(gòu)單元的形狀轉(zhuǎn)化可通過溫度或化學(xué)變性劑加以調(diào)節(jié)。

　　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(gòu)建這些DNA陣列結(jié)構(gòu)，這些研究人員采用折紙術(shù)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(bǔ)鏈進(jìn)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(shù)導(dǎo)致更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)單元構(gòu)建出長方形DNA陣列機(jī)構(gòu)和管狀DNA陣列機(jī)構(gòu)。他們也能夠構(gòu)建出具有三種基礎(chǔ)構(gòu)象的長方體DNA陣列機(jī)構(gòu)，而這些二維的DNA陣列結(jié)構(gòu)單元僅具有兩種構(gòu)象。Ke說，他的團(tuán)隊正在努力研究利用這些相同的基礎(chǔ)設(shè)計原則制造更大的更加復(fù)雜的具有三維形狀的機(jī)器。

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　　參考資料：　1. Jie Song, Zhe Li, Pengfei Wang et al. Reconfiguration of DNA molecular arrays driven by information relay. Science, Published online:22 Jun 2017, doi:10.1126/science.aan3377

　　2.Switchable DNA mini-machines store information