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shRNA表达克隆

纳米材料黑科技:DNA折纸技术

Jul 17, 2017 No Comments

DNA折纸技术1

使用DNA重现梵高名作《星空》。

 

研究人员利用DNA的结构特性构建用于医学和材料科学的纳米模型。

Vincent van Gogh的《星夜》(The Starry Night)是后印象派艺术的经典之作。1889年,著名荷兰画家Gogh创作了《星空》,此后其扭曲变化的线条吸引了无数名艺术爱好者。2016年,加利福尼亚理工学院(California Institute of Technology)的生物工程师Paul Rothemund重新创作了这项作品。作为一名科学家,Rothemund使用的工具不是油墨,而是DNA。

Rothemund的《星空》是在硅片上绘制而成的,它为一个一度备受忽视的材料科学分支——DNA纳米材料——带来了新的契机。20世纪90年代,当科学家开始构想纳米级机器时,DNA纳米技术出现了。到了今天,300多个研究小组正试图利用DNA的碱基配对特性,将其用作原料构建纳米模型,而非遗传信息的载体。

纽约大学(New York University)合成化学家Ned Seeman表示,一旦人们意识到可以使用DNA来构建东西,那么就会引发一系列的技术创新。Ned Seeman是被人们广泛认可的DNA纳米技术的创始人之一。

DNA的尺寸使其成为构建纳米结构的理想选择:双螺旋灵活、方便调节;宽2 nm,每个螺旋高3.4-3.6 nm;DNA的结构研究相对充分,并且合成非常简单。研究者们开始使用DNA构建多种结构,包括药物载体和三维晶体等。但即便如此,技术挑战依然存在,纳米技术人员正在重新考虑DNA纳米材料的基本问题。

 

构建策略

DNA可以组装成各种形状,包括2D笑脸表情、3D几何物体和字母积木。但这种组装是基于一个简单的规则的,即碱基对互补。由配对碱基的氢键驱动,互补DNA链将自发形成双螺旋。本质上,DNA的两条链通常是完全互补的。然而,如果DNA链仅是部分互补的,那么两条链都可以与多条链互补。Rothemund指出,这个概念是DNA纳米技术的基础。

在细胞分裂期间,四条DNA链相互交叉,形成Holiday交叉。Holiday交叉结构不稳定,容易迅速分解成两个双螺旋。20世纪80年代初,Seeman通过将每条链的序列与交叉中的另一条序列配对来稳定它。他成功设计了6条DNA链交互交叉的连接点,形成了第一个3D的DNA分支结构。之后的结构设计愈发复杂:1991年的棒状立方体、1998年分支状DNA晶体和2005年的DNA管。

2004年,哈佛大学(Harvard University)Wyss生物工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)的生物化学家William Shih独辟蹊径,使用DNA单链形成了一个22 nm宽的八面体。该八面体一共含有1669个碱基,包含5种40个碱基长的链,并且形状很稳定。

基于这个想法,两年后,Rothemund使用数以百计的26至32个碱基长的DNA单链——他称之为“钉书钉”,来将7000碱基长的“支架”DNA链折叠成直径大约为100 nm的各种二维形状。这是“一个里程碑式的成就”,Wyss研究所的DNA科学家Peng Yin这样说到,因为它大大增加了DNA纳米结构的复杂性和规模。

Rothemund以病毒的单链DNA作为支架——普通的DNA链太长,传统的合成技术合成起来非常麻烦。他仔细研究了DNA可以如何折叠,以及形成像正方形、三角形、星星和笑脸等形状需要多少个“订书钉”来固定。Rothemund首先混合DNA与“钉”(数目为所需数目的100多倍),加热至95℃,并在2小时内冷却至室温,这些链会自发形成所需的形状。

此后,DNA“折纸”技术发展迅速。最初,加利福尼亚大学旧金山分校(University of California, San Francisco)生物物理学家Shawn Douglas指出,可能需要一个月才能设计出合适的DNA链和订书钉。Douglas表示,设计时很容易犯错误,也很难做出修改。为此,Douglas开发了专门的软件来加速折纸设计(见文末“DNA折纸技术”)。 第一个版本的caDNAno于2009年完成,同年Douglas在哈佛大学的Shih小组获得博士学位。软件可以在一天内完成折纸设计。Douglas指出,在接下来的3个月中,他们总共构建了30种形状,包括矩形块、十字架和瓶形。

几年后,麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)生物物理学家Mark Bathe领导的另一个团队开发了一种名为CanDo的辅助工具来检查caDNAno的DNA折纸蓝图的正确性。Bathe表示,CanDo会告诉你,按照折纸蓝图合成的3D结构是什么样子的。Bathe团队已经开发了一种名为DAEDALUS的工具,用户仅需选择需要设计的形状,软件便可确定包括scaffold序列在内的所有序列。

使用DNA构建结构的另一种方法是使用DNA砖块。2012年,Shih实验室的博士后研究员Yonggang Ke(Ke现在是乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)和亚特兰大埃默里大学(Emory University)的生物化学家)开发了一种技术,其中DNA纳米结构中的每个砖块都具有32或42个碱基的独特序列。每个序列的四分之一与另一个砖上的一条序列的四分之一互补。通过连接和延伸DNA砖块,研究人员可以像搭积木一样组装DNA结构。Yin指出,每个砖块都可以在顶部和底部分别与其他两个砖块结合。

对于一个平面的2D结构,每个DNA砖块包括42个碱基,这些DNA砖就像是一个个互相扣在一起的乐高积木,可以拼出复杂的结构。任何2D图案都可以通过选择正确的砖块来拼凑而成。为了构建3D结构,Ke将每个砖块缩短到32个碱基,方便相互连接。研究人员制作了102个不同的结构,包括心形、球体和罗马字母。Yin提到,在第一篇论文中,他们构建的3D结构比整个领域合成的3D结构还要多。

 

DNA纳米材料

这些新型DNA形状的一个用途是携带诸如药物分子、金属纳米颗粒和蛋白质等物质。在DNA链组装前,把这些分子固定在DNA上是最简单的。Rothemund指出,一般分子是载带在“订书钉”上,因为每个DNA纳米结构包括大约200个订书钉,可以精确载带“货物”。

DNA分子携带电荷,这意味着它可以通过使用电子束在平坦表面上蚀刻带负电荷的结合位点的图案来引导DNA组装。Rothemund表示,你可以把DNA结构准确地放在你的目标地点上。他用DNA重现的《星空》就是使用了这种方法——画板上有很多微型荧光分子灯泡以及载带着染料的DNA。

另一个想法是使用DNA纳米结构作为模具来铸造纳米粒子。这需要DNA纳米结构体积足够大、结构稳定,且含有内腔。Yin的团队与Bathe的团队合作,使用DNA砖构建了一个这样的DNA模具。然后,他们将银纳米粒子种子放到模具的空腔里,并将模具浸泡在银浆里,这就像把岩糖浸泡在过饱和溶液,使其生长。银纳米粒子不断生长,最后会填满空腔,形成立方体、球形、三角形和Y形纳米颗粒。

 

DNA折纸技术2

DNA折纸技术组成了很多形状,其中包括笑脸的emoji表情。

 

西北大学(Northwestern University)的化学家Chad Mirkin则采用另一种纳米策略,他称之为可编程原子等价物(programmable atom equivalent)。这些纳米颗粒的核包括金属、聚合物和蛋白质。数百个部分为双链(其余部分为单链,可与其它DNA单链互补配对)的DNA分子连接到核表面,以形成致密的DNA壳。单链自由端与其它DNA链的自由端互补。当这些结构混合在一起时,它们会形成晶格,并将目的原子放在预设的位置。Mirkin认为这是一个非常可靠的方法。

值得注意的是,晶体的结构和性质可以通过改变纳米颗粒核的尺寸和形状,以及DNA链的长度来调控——鉴于结晶过程非常棘手,Mirkin的这种方法实在是一大创举。 Mirkin表示,他们现在抛弃了结构复杂、不明确的材料化学,专心研究结构明确的、可编程的DNA,来获得高质量的晶体。Mirkin表示,他们已经发表了40多个自然界从未见过的对称性晶体。

 

用途多多

DNA纳米结构通常会载带荧光基团。例如,德国GATTAquant DNA Nanotechnologies公司使用DNA折纸结构和荧光分子来验证超分辨显微镜的分辨率。超分辨率显微镜打破了光的折射率造成的分辨率极限,但GATTAquant研发总监Max Scheible说表示,目前没有金标准来检测超分辨率显微镜的分辨率。DNA纳米技术就能解决这一点。

GATTAquant在DNA折纸结构的精确位置上载带荧光基团,然后将DNA折纸结构放置在玻璃片上。通过这种纳米技术,研究人员就可以验证高于衍射极限的分辨率了。

Ultivue(马萨诸塞州剑桥的一家初创公司)的联合创始人,希望使用DNA纳米结构去影响癌症研究。在癌组织中,BRCA1和HER2之类的生物标志物可以预示疾病的发病或发展,并且可能有助于诊断、预后和治疗。迄今为止,绝大多数生物标志物的研究都是彼此独立的。Ultivue的首席研究员Mael Manesse表示,目前欠缺的是系统地研究这些生物标志物。

在Ultivue总部,Manesse向观众展示了该公司的独有技术。计算机显示器上发亮的是Manesse在显微镜下定位的肺组织薄片细胞。当他将显微镜的光切换成红色时,细胞消失,只能看到一些微弱的亮点,即来自CD3的信号(T细胞的生物标志物)。Ultivue's使用基于DNA的成像探针标记这些蛋白:抗体末端带有一段DNA链(对接链),可以与携带荧光探针的DNA链(类似于荧光染色中的二抗)相互补。每个感兴趣的生物标志物都有自己的对接链,可以添加、成像或删除DNA荧光探针。然后叠加不同生物标志物的图像以获得组织的复合图像。Manesse指出,利用这种方式,我们可以同时研究多个生物标志物,同时不损伤组织样本。

DNA纳米结构也可用于构建用于治疗或诊断的传感器、药物和疫苗。例如,研究人员通过将链霉亲和素和寡核苷酸抗原载带在四面体DNA纳米结构上,形成合成疫苗。在小鼠研究中,相比于链霉亲和素和寡核苷酸的混合物,该疫苗能让小鼠体内产生更多的抗体,增强免疫响应。

Shih的终极目标是制造药物纳米片:在细胞内根据需要,使用DNA砖产生药物的DNA折纸纳米胶囊。Shih认为这极具探索性。理论上,纳米胶囊应包含RNA聚合酶——这是一种能够产生RNA和DNA模板的酶。一旦被激活,纳米胶囊将开始制造和释放有效载荷,就像病毒使用细胞内的物质来复制自身一样。

 

DNA替代品

尽管DNA纳米技术已经问世二十多年了,仍然面临着很多挑战。德国慕尼黑技术大学(Technical University of Munich)的生物物理学家Hendrik Dietz指出,产出比是关键问题:现在产出率还不到克级别。Dietz表示,DNA折纸可以对人类健康产生很大影响,但问题是现在的生产量太小。

另外一个难题是可以被附着到DNA上的材料的品种非常少。研究人员正在努力扩大折纸设计可以使用的材料的范围。例如,今年早些时候,Dietz发文表示可以将蛋白质作为“订书钉”来组装DNA,而Douglas则正在更新caDNAno,以囊括RNA和蛋白质结构单元。

也许最大的限制是对自组装过程的控制不足。随着DNA折纸结构越来越大,错误折叠的机会增加。Shih表示,我们需要新的策略来抑制自组装错误。

Rothemund提出的一种可能性是抛弃传统方法(体外混合、加热和冷却方法),而使用细胞来进行合成工作。去年,麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的生物工程师Christopher Voigt改造了大肠杆菌,使其从单链DNA中产生一个简单的四分支结构。但Rothemund指出,对于更复杂的折纸纳米结构,可能必须使用RNA。与DNA不同,单链RNA可以在没有“订书钉”的情况下保持形状。RNA纳米材料领域几乎是一块处女地,但是Rothemund很高兴能够探索它。他表示,这就像用木头搭房子,但你不能用凹槽、胶水来帮忙固定,我们需要学习的东西还很多。

 

DNA折纸技术

折叠DNA通常从选择支架开始。200个碱基以下长度的单链序列,合成起来非常简单,超过这个长度,使用病毒DNA更简单。
一旦选择了形状,我们就可以使用软件工具caDNAno或DAEDALUS来设计结构。caDNAno可以基于所选的结构和预选的序列,映射出每个粘合点,并确定需要的短链DNA和“订书钉”。而在DAEDALUS里,用户只需要选择所需的几何形状,软件便会自动生成支架和订书钉序列。预测3D结构的工具CanDo可用于检查预测模型的准确性。
随后,将各种序列按照正确的比例(订书钉要超过所需用量)混合在一起,加热并冷却。如果DNA正确折叠,那么在凝胶电泳上可以看到清晰的、与原始DNA序列条带独立开来的条带。然后我们可以使用电子显微镜或原子力显微镜,进一步表征DNA纳米结构。如果凝胶电泳上DNA纳米结构的条带模糊或者压根就没有,那么DNA就没有顺利折叠,或者产量过低。这可能是由于设计错误,特别是交叉点错误而导致的。如果设计没问题,却没有条带,那么可能需要调整缓冲液、温度和反应时间等参数来优化折叠条件。
对于不想自己构建DNA纳米材料的研究人员,德国Tilibit Nanosystems公司可以提供DNA纳米材料定制和相关试剂盒

 

原文检索:
XiaoZhi Lim. (2017) The architecture of structured DNA. Nature, 546 (1038): 687-689.
张洁/编译

 

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