任何人都可以做的DNA設計



麻省理工學院和亞利桑那州立大學的研究人員設計了一個計算機程序,允許用戶將任何自由形式的圖形轉換為由DNA構成的二維納米級結構。

到目前為止,設計此類結構需要技術專業知識,使大多數人無法接觸到這一過程。使用這個新程序,任何人都可以創建任何形狀的DNA納米結構,用于細胞生物學,光子學,量子傳感和計算等應用。

麻省理工學院生物工程副教授,該研究的資深作者馬克巴特說:“這項工作的作用是允許任何人從字面上繪制任何二維形狀并自動將其轉換為DNA折紙。”

研究人員在1月4日出版的“科學進展”雜志上發表了他們的研究結果,該計劃名為PERDIX,可在線獲取。該論文的主要作者是麻省理工學院博士后的Hyungmin Jun和亞利桑那州立大學助理研究教授Fei Zhang。其他作者是麻省理工學院研究助理Tyson Shepherd,最近麻省理工學院博士研究生Sakul Ratanalert,ASU助理研究科學家Xiaodong Qi和ASU教授Hao Yan。

自動化設計

DNA折紙是將DNA折疊成微小結構的科學,起源于20世紀80年代早期,當時紐約大學的Ned Seeman提出利用DNA的堿基配對能力來創造任意的分子排列。2006年,加州理工學院的Paul Rothemund創造了第一個支架式二維DNA結構,通過編織長的單鏈DNA(支架)形狀,使得被稱為“主食”的DNA鏈與其雜交以幫助整體結構保持其形狀。

其他人后來使用類似的方法來創建復雜的三維DNA結構。然而,所有這些努力都需要復雜的手工設計以使支架穿過整個結構并產生短纖維束的序列。2016年,Bathe和他的同事開發了一種自動生成三維多面體DNA結構的方法,在這項新研究中,他們開始自動設計任意二維DNA結構。

為了實現這一目標,他們開發了一種新的數學方法,用于將單鏈支架穿過整個結構以形成正確的形狀。得到的計算機程序可以采用任何自由形式的繪圖并將其轉換為DNA序列以創建該形狀并進入主鏈的序列。

可以在任何計算機繪圖程序中繪制形狀,然后將其轉換為計算機輔助設計(CAD)文件,將其輸入DNA設計程序。“一旦你有了這個文件,一切都是自動的,就像打印一樣,但這里的墨水就是DNA,”Bathe說。

生成序列后,用戶可以命令它們輕松制作指定的形狀。在本文中,研究人員創建了一些形狀,其中所有邊緣都由兩個DNA雙鏈組成,但它們也有一個工作程序,每個邊緣可以使用六個雙工,這些更加嚴格。用于三維多面體的相應軟件工具,稱為TALOS,可在線獲取,并將很快發布在ACS Nano期刊上。形狀的尺寸范圍從10到100納米,可以保持穩定數周或數月,懸浮在緩沖溶液中。

“我們能夠以非常簡單的方式設計和制造這些產品,這有助于解決我們領域的主要瓶頸,”Bathe說。“現在,該領域可以向更廣泛的行業和學術界人群過渡,從而能夠實現DNA結構的功能化并將其部署到各種應用中。”

任何人都可以做的DNA設計

納米級圖案

因為研究人員可以精確控制合成DNA顆粒的結構,所以它們可以在特定位置附著各種其他分子。這可用于模擬納米級模式中的抗原,以闡明免疫細胞如何識別并被病毒和細菌上發現的特定抗原排列激活。

“免疫細胞如何識別納米級抗原模式是一個非常缺乏了解的免疫學領域,”Bathe說。“將抗原附著到結構化DNA表面以有組織的模式顯示它們是探測這種生物學的有力方法。”

另一個關鍵應用是設計模擬植物中光合復合物的光捕獲電路。為了實現這一目標,研究人員正在將稱為發色團的光敏染料附加到DNA支架上。除了收獲光之外,這些電路還可用于執行量子感測和基本計算。如果成功,這些將是第一個可以在室溫下運行的量子計算電路,Bathe說。

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