最近,德国慕尼黑工业大学创造出了一些新型纳米设备:一个会动手臂的机器人,一本能打开、合上的书,一个能开关的齿轮传动装置,还有一个促动器——或许这些已经很吸引人了,但还不是重点。重要的是这些设备体现了科学上的突破——把DNA作为一种可编程的建筑材料,用于制造纳米级的结构和机器。
研究人员发表在《科学》杂志上的上述成果,揭示了一种新的DNA连接方法。重组和模块化的三维DNA组件有着互补的形状,能很容易扣在一起,而不是像拉链似的拉在一起的碱基对。这不但能造出会动的纳米机器,而且提供了一种工具包,使研究人员对模块自行组装编程更加容易。
新一代DNA折叠术
据慕尼黑理工大学教授亨德里克·戴茨介绍,这一领域通常叫做“DNA折叠术”,正在迅速走向实际应用。日前,戴茨因为在这一领域的研究获得了德国最重要的研究奖项——戈特弗里德·威廉·莱布尼茨奖。
近年来,戴茨和他的团队在DNA折叠术的应用方面迈出了重要的几步,比如开发出一些实验装置,包括一个由DNA制造的人工膜通道;发现了能大大节约时间的自组装程序,使整个组装过程从一周缩短到几小时;证明了极其复杂的结构也能按设计组装,并具有亚纳米级的精度。
然而,以往所有的进步都要用到“碱基配对”,以此决定溶液中每条链和DNA组合之间该怎么结合。新研究中最新奇的东西是“胶水”。
“一旦你用碱基对造出了一个组装单位,就很难打破它。”戴茨解释说,“所以动态结构所用的方法通常在结构上是很简单的。”为了能让会动的DNA纳米机器更普适,有更广泛的潜在用途,研究小组从自然的生物分子工具箱中借鉴了两种技术:蛋白质的形状互补方法和它们形成相对弱键的趋势,前者可以简化分子之间的对接,后者能在不需要时断开连接。
仿生可提高灵活性
研究人员还从一种自然机制中获得了灵感:让核酸分子通过比碱基对更弱的键“粘合”在一起。在自然界,当RNA基酶RNase P“认出”转移RNA时,利用它们的互补外形能形成这种弱键,分子则被引导到足够近的范围,就像宇宙飞船与空间站对接。
戴茨实验室的新技术模仿了这一方法。为造出动力DNA纳米机器,他们开始编程,让有着互补结构的3D模块自行组装,然后激活一种称为“核基堆积”的短距离结合机制,在空间里把这些单位模块搭扣在一起。他们有3种不同的方法,可以控制这些DNA模块的形状和功能。戴茨说:“这些带给我们的是分等级的作用力、按要求精确定位的能力以及模块彼此识别、相互匹配的稳定区域。”
戴茨小组由此造出了一系列DNA设备:从微米级的细丝,到会动的纳米机器,都显示了这一技术的潜在应用能力。
小组人员还传来一个三维纳米人型机器人的电子显微图,以确认它身上的模块是精确地按设计组合的。此外,他们还展示了一种简单的控制方法,能改变溶液的正离子浓度——这可以让DNA模块在不同组态之间切换:组装或解开,比如让机器人的“手臂”脱离,或留在它身上。
另一种方法是简单地提高或降低温度,也能让DNA纳米设备在不同结构状态之间“切换”,而这种方法被证明非常有效。对早期的DNA设备来说,需要分开和重连DNA碱基对,通过稀释和单边反应只能进行几轮切换,系统就会“疲劳”。小组论文中还描述了一种剪刀状的促动器,在4天时间里承受了1000多次的温度切换循环,而没有衰减的迹象。
戴茨补充说:“温度循环是把能量导入系统的一种方法,所以能把可逆的形状变换与某种可持续进程结合在一起的话,不仅能制造纳米机器,还能给它们提供能量。”
类似小孩子玩积木
值得一提的是,DNA设备灵活性的一方面,这只需添加形状互补零件就能实现,其关键技术就是弱键结合DNA纳米技术工具包。研究人员指出,只用“碱基配对”来编写自组装程序,就像用机器语言来写计算机代码。他们希望,新方法能让DNA折叠术在面向使用终端时更加容易,就像高级计算机程序语言的出现,刺激了软件工程的进步。
戴茨把这项工总比作是孩子们玩“乐高”积木,他说:“你只需把组合零件设计成互补的就可以,而无需再摆弄碱基对序列让它们来连接零件。”
来源:科技日报 作者:常丽君
为你推荐

阿斯利康最新披露:在中国或面临800万美元新罚款
据相关报道,英国当地时间4月29日,阿斯利康在最新季度的财报会议上透露,就在华涉嫌非法进口药品一事,公司可能可能会在中国面临一项新的罚款。
2025-04-30 15:53

君合盟生物重组A型肉毒毒素临床试验双线突破,覆盖严肃医疗与消费医疗两大领域
用于成人中、重度眉间纹适应症的III期临床试验在组长单位北京大学第一医院正式启动并完成首例入组。针对成人脑卒中后上肢痉挛治疗的II期临床试验由复旦大学附属华山医院牵头并顺...
2025-04-30 12:39

科塞尔医疗完成近亿元B+轮融资,加速血管介入器械全领域平台化布局
本轮融资由国内知名投资机构铁投巨石领投,苏高新金控持续追加投资,园雍投资跟投,资金将用于核心产品研发、全球市场推广及产能扩建。
2025-04-28 16:54

凯西集团2024财年实现双位数营收增长,不断投资研发,聚焦可持续发展
凯西集团(Chiesi Group)是一家以研发为基石的意大利国际制药集团,总部位于意大利帕尔马,业务覆盖全球31个国家和地区。在2024财年,凯西集团圆满收官,取得了强劲的财务业绩...
2025-04-28 11:29

别让肺结节成心结,肺健康清“结”公益行动在人民日报社正式启动
2025年4月27日,《爱肺行动》之别让肺结节成心“结”——肺健康清“结”公益行动,在北京人民日报社正式启动,由广东省钟南山医学基金会、江苏养无极药业有限公司发起,联合京东健康...
2025-04-28 10:26

被忽视的“经期头痛”,专家提醒频繁发作需及时就医
偏头痛是一种常见的慢性神经血管性疾病,不仅有中到重度的头痛症状,还常伴随多种复杂症状比如恶心、呕吐、畏光、畏声等。女性偏头痛的发病率是男性的2~3倍,约20%~25%的女性偏...
2025-04-28 09:42

A股上市公司未名医药的核心子公司,被停产
4月24日晚间,未名医药发布公告称,4月22日,天津市药监局发布公告,对公司控股子公司天津未名生物医药有限公司(以下简称“天津未名”)进行了药品GMP符合性检查。经综合评定、...
2025-04-27 11:34

瑞博生物港交所递表,小核酸药物龙头企业有望登陆资本市场
瑞博生物成立于2007年,专注于RNA干扰(RNAi)技术开发及小核酸药物产业化,是全球最早布局该领域的开拓者之一。
2025-04-27 10:36

Cytiva与中欧创新医药与健康研究中心签署全面合作协议
双方将携手在细胞治疗药物成果转化领域展开全面合作,推动大湾区生物医药产业的蓬勃发展,打造全球生物医药创新高地。
2025-04-25 19:49

精鼎医药任命 Charlotte Moser为公司首席医疗官,负责领导全球医学战略
今日(4月25日),致力于为客户提供I至IV期全方位临床开发服务的跨国合同研究组织(CRO)精鼎医药宣布,公司已任命 Charlotte Moser博士出任首席医疗官。
2025-04-25 15:06

强生宣布锐珂(埃万妥单抗注射液)联合化疗方案在华获批,用于EGFR TKI经治后局部晚期或转移性非小细胞肺癌患者治疗
强生公司今日(4月25日)宣布,旗下创新治疗药物锐珂®(埃万妥单抗注射液)正式获得国家药品监督管理局批准,与卡铂和培美曲塞联合给药,适用于治疗携带表皮生长因子受体(EGFR...
2025-04-25 15:00

《新英格兰医学杂志》发布: 研究证实速福达可将流感病毒家庭传播概率降低32%
罗氏全球今日(4月25日)宣布,速福达®(玛巴洛沙韦)III期临床试验CENTERSTONE研究详细结果在《新英格兰医学杂志》(NEJM)上发布。结果显示研究达到了主要终点:流感感染者单...
2025-04-25 13:34