DNA納米技術(shù)研究進(jìn)展

1、LOGODNA納米技術(shù)研究進(jìn)展納米技術(shù)研究進(jìn)展OutlineDNA納米技術(shù)的概述納米技術(shù)的概述 1走近未來的走近未來的DNA計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 3DNA折紙術(shù)折紙術(shù) 2DNA納米藝術(shù)創(chuàng)作納米藝術(shù)創(chuàng)作 4DNA納米技術(shù)的概述納米技術(shù)的概述 1DNA nanotechnology DNA 作為一種天然的生物大分子，在納米尺度上構(gòu)建功能結(jié)構(gòu)方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢： 互補(bǔ)法則的唯一性和高度特異性，可預(yù)測，可編程 雙螺旋結(jié)構(gòu)，高機(jī)械剛性和較高 的物化穩(wěn)定性 多種工具酶進(jìn)行精確加工和控制 DNA 分子所攜帶的豐富遺傳信息經(jīng)過漫長的進(jìn)化創(chuàng)造了豐富多彩的生物世界。而DNA 納米技術(shù)將DNA 從傳統(tǒng)的基因圖譜拓展成為建

2、筑模塊，用以構(gòu)建我們所需的多功能納米結(jié)構(gòu)。 DNA納米技術(shù)的本質(zhì)就是DNA自組裝，而自組裝的核心就是堿基互補(bǔ)配對原則。可見，DNA納米技術(shù)是利用了它的化學(xué)屬性，而非生物屬性（攜帶遺傳信息），這就是它與生物技術(shù)的根本區(qū)別。DNA納米技術(shù)的先驅(qū) 1982 年，美國紐約大學(xué)化學(xué)系的Seeman 首先提出可使用帶有互補(bǔ)黏性末端的分枝DNA 分子來構(gòu)建二維有序陣列DNA tile 自組裝DNA折紙術(shù)折紙術(shù) 2DNA折紙術(shù) 2006 年，Rothemund的研究為結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)帶來了一次激動人心的進(jìn)展。他首次在Nature上提出了“DNA 折紙術(shù)”（DNA origami）:利用200 多條短的DNA

3、 輔助鏈，通過折疊M13mp18 基因組DNA，得到大約100nm大小、任意形狀的二維結(jié)構(gòu)，如矩形、正方形、三角形、星型和笑臉等形狀。DNA納米結(jié)構(gòu)仿中國地圖 2006年，在中國科學(xué)院院士賀林的領(lǐng)導(dǎo)下，上海交大Bio-X研究院開創(chuàng)性地“創(chuàng)作”出一幅長150nm、寬120nm、厚2nm，分辨率6nm的“DNA中國地圖”，它是世界上第一個不對稱的二維DNA圖形，克服了不對稱圖形帶來的應(yīng)力問題。DNA折紙術(shù) DNA折紙術(shù)自組裝的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)方法簡單，操作容易，原料DNA無需純化，可一步反應(yīng)組裝出復(fù)雜的圖案，而且產(chǎn)率較高。結(jié)合其它方法和技術(shù)，可以通過折紙術(shù)組裝出更為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。三維DNA自組裝 最近

4、5 年來，三維DNA 納米結(jié)構(gòu)的研究取得了蓬勃的發(fā)展，大量的三維DNA 基元被成功構(gòu)建。 Turberfield 小組利用4 條單鏈DNA 成功構(gòu)建了一系列大小的DNA 四面體結(jié)構(gòu)，并且嘗試?yán)眠@些DNA 四面體作為藥物輸運(yùn)體系進(jìn)行藥物控釋研究 多種3D模型，包括立方體，四面體，八面體，十二面體，巴基球，納米管等爭論：爭論：DNA構(gòu)圖的實(shí)際意義？構(gòu)圖的實(shí)際意義？DNA折紙術(shù)有何用？目前關(guān)于DNA折紙術(shù)的探索主要圍繞以下3方面： (1) 以DNA折紙術(shù)構(gòu)造的圖形為基板，通過各種修飾或反應(yīng)，使小分子或納米顆粒（如納米金，碳納米管和蛋白質(zhì)等分子）進(jìn)行精確納米排布； (2) 通過對DNA折紙術(shù)金屬化，

5、構(gòu)造納米級電子元件?？梢酝ㄟ^引入金屬，實(shí)現(xiàn)從DNA到金屬的轉(zhuǎn)化，從而獲得納米級電路； (3) 制造納米尺度的DNA芯片。由于DNA折紙術(shù)圖形是存在于溶液中的，這更接近于實(shí)際的DNA雜交環(huán)境，理論上具有在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行分子檢測的潛力。新的進(jìn)展 利用DNA納米技術(shù)和核磁共振光譜學(xué)技術(shù)或者X線衍射技術(shù)等檢測手段解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)； Sugiyama利用DNA納米技術(shù)幫助他實(shí)時觀察蛋白質(zhì)催化劑在化學(xué)反應(yīng)中的作用情況（JACS，2010）； Nat. Nano.（2011）：DNA納米隧道電穿孔技術(shù)可對細(xì)胞精確用藥； Science（2012）：利用DNA納米結(jié)構(gòu)開發(fā)出人工膜通道； Sci. Rep. （201

6、2） ：DNA納米結(jié)構(gòu)電化學(xué)生物傳感器開發(fā)成功DNA納米機(jī)器人和DNA微芯片 2012年science一篇文章中，研究人員已經(jīng)用DNA折紙術(shù)構(gòu)建了一個可給個體細(xì)胞遞送極小“貨物”載荷并影響它們行為的納米機(jī)器人。 2012年，來自哈佛大學(xué)的合成生物學(xué)家George Church利用了DNA微芯片來編碼書籍，首次展示了DNA可用來存儲數(shù)據(jù)。 在2013年1月23日Nature上發(fā)表的新研究中，科學(xué)家們在人工合成的DNA中“記錄”了一段長達(dá)26秒的剪輯音頻、一篇論文的副本、一張照片等信息。用DNA搭積木 三名哈佛醫(yī)學(xué)院的博士后研究員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種方法，能使DNA串成完整的字體包括所有羅馬字母、標(biāo)點(diǎn)符號

7、、表情符號和數(shù)字09。（Nature，2012） 與之前的DNA折紙術(shù)相比，搭積木似的DNA納米技術(shù)避免了使用腳手架般的長鏈，另辟蹊徑地創(chuàng)出一種“替代構(gòu)建法”。他們向我們證明了小鏈DNA不需要支架就可以組合成大型結(jié)構(gòu)。走近未來的走近未來的DNA計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 3DNA計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)在近幾十年內(nèi)的發(fā)展速度令人瞠目。然而目前集成電路的密度已接近理論極限，所以，人們開始在不斷尋找新的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。 DNA分子計(jì)算機(jī)是公認(rèn)的下一代計(jì)算機(jī)，而DNA邏輯門可能是實(shí)現(xiàn)DNA計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。 與傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)相比，DNA計(jì)算機(jī)具有哪些優(yōu)點(diǎn)： 體積小，存儲大，運(yùn)算快，耗能低，并行性強(qiáng)，科學(xué)觀察與化學(xué)反應(yīng)同步DNA計(jì)

8、算機(jī)工作原理 與電子計(jì)算機(jī)以二進(jìn)制的0和1兩個數(shù)字進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲不同，DNA計(jì)算機(jī)通過組成DNA分子的A、G、C、T四種核苷酸的排列來編碼信息，特定的生物酶可充當(dāng)“軟件”，使DNA分子完成某種生物化學(xué)反應(yīng)，從一種基因代碼（即反應(yīng)前的輸入數(shù)據(jù)）變?yōu)榱硪环N基因代碼（即反應(yīng)后的輸出數(shù)據(jù)）。 DNA-計(jì)算機(jī)的提出 1994年11月，美國南加州大學(xué)的阿德勒曼博士提出一個奇思妙想，即以DNA堿基對序列作為信息編碼的載體，利用現(xiàn)代分子生物技術(shù)，在試管內(nèi)控制酶的作用下，使DNA堿基對序列發(fā)生反應(yīng)，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算。 在過去的半個世紀(jì)里，計(jì)算機(jī)的意義幾乎完全等同于物理芯片。然而，阿德勒曼提出的DNA計(jì)算機(jī)拓寬了人

9、們對計(jì)算現(xiàn)象的理解，如果這種方式得以實(shí)現(xiàn)，人體將不再是單純的肉體，而且是一部存儲空間巨大、運(yùn)算速度極快的的計(jì)算機(jī)。DNA計(jì)算機(jī)的發(fā)展 2001年，以色列科學(xué)家成功研制出世界上第一臺DNA計(jì)算機(jī)，吉尼斯紀(jì)錄稱之為“世界上最小的生物計(jì)算設(shè)備” 中科院上海應(yīng)用物理研究所的樊春海研究員與上海交通大學(xué)Bio-X中心的賀林院士、張治洲教授通過深入的學(xué)科交叉與合作，應(yīng)用DNA核酶研制成功一類新型的“DNA邏輯門”，為發(fā)展DNA計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。該邏輯門系統(tǒng)的新特色在于排除以往DNA邏輯門設(shè)計(jì)中RNA核苷的參與，僅單純應(yīng)用DNA分子，從而避免了RNA核苷帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定性。相關(guān)研究結(jié)果已發(fā)表在日前出版的著名化

10、學(xué)雜志德國應(yīng)用化學(xué)上(Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 1759.)。DNA計(jì)算機(jī)的發(fā)展 哈佛大學(xué)的生物工程學(xué)家 Benenson設(shè)計(jì)出一種可進(jìn)行基本邏輯工作的DNA計(jì)算機(jī)，并證實(shí)它能應(yīng)用于人工培養(yǎng)的腎細(xì)胞。通過將源于其他物種的單個siRNA分子導(dǎo)入細(xì)胞，該DNA計(jì)算機(jī)能使編譯某種熒光蛋白的目標(biāo)基因關(guān)閉。盡管生物計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)計(jì)算并不很復(fù)雜，但它足以讓科學(xué)家創(chuàng)造出針對特定人體細(xì)胞的生物傳感器和藥物運(yùn)輸系統(tǒng)。面臨的挑戰(zhàn) 目前處于最基礎(chǔ)研究階段 仍需大量人力財(cái)力成本 基于DNA計(jì)算機(jī)的顯示問題DNA是計(jì)算機(jī)的未來DNA計(jì)算機(jī)的美好未來 未來的DNA計(jì)算機(jī)在研究邏輯、破

11、譯密碼、生物醫(yī)藥以及航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用將發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢：未來破解復(fù)雜密碼將變得簡單，航空公司可以有效規(guī)劃航線，在細(xì)胞內(nèi)運(yùn)行的DNA計(jì)算機(jī)可以監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)人體的各種疑難病癥，甚至還能在人體內(nèi)合成藥物。隨著我們對DNA計(jì)算機(jī)越來越了解，未來我們對人腦也將有更深刻的認(rèn)識。人機(jī)合一不是夢DNA納米藝術(shù)創(chuàng)作納米藝術(shù)創(chuàng)作 4當(dāng)藝術(shù)邂逅DNA 法國著名文學(xué)家福樓拜曾有句名言：“藝術(shù)越來越科學(xué)化，科學(xué)越來越藝術(shù)化，二者在山麓分手，有朝一日將在山頂重逢。” 現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)明了DNA折紙術(shù)、DNA模板印刷、DNA音樂、DNA原子力顯微鏡拼圖等相關(guān)DNA技術(shù)。利用這些技術(shù)，DNA不僅可以繪畫，還可以譜曲，為我們提

12、供了高層次高品位的納米藝術(shù)享受。DNA模板印刷 來自美國Brigham Young大學(xué)的科學(xué)家們正把DNA自組織技術(shù)同微制造印刷術(shù)結(jié)合起來，他們把DNA在基底上排列整齊，再在上面沉積一層金屬膜。DNA分子起納米蠟紙的作用，接著再使用半導(dǎo)體工業(yè)中常用的等離子體對圖案表面進(jìn)行刻蝕，在基底上便可得到納米尺寸的溝槽。如果這種溝槽拼出的圖像設(shè)計(jì)得足夠精巧，那么就會夠成一副上乘的納米繪畫佳作。DNA音樂 兩位日本生物學(xué)家在進(jìn)行DNA研究時，別出心裁地用音符來替換堿基序列，再譜成樂曲，并用電子樂器演奏。DNA音樂一經(jīng)問世，轟動了整個生物界。 經(jīng)過藝術(shù)加工，一段白血病病毒DNA的樂曲聲會讓人潸然淚下，而編碼人

13、胰島素的DNA竟與肖邦葬禮進(jìn)行曲的第三樂章如出一轍。 近來一位麻省理工學(xué)院博士正利用數(shù)學(xué)方法，將 DNA 信息轉(zhuǎn)換成音符，這種DNA音樂有望被用來區(qū)分癌細(xì)胞與正常細(xì)胞的差異。DNA原子力顯微鏡拼圖 現(xiàn)在，利用原子力顯微鏡不僅可以看到原子、分子，還可以搬動（操縱）原子、分子。由于DNA分子通常是鏈狀的，因此，利用原子力顯微鏡探針在基體表面上“撥弄”DNA鏈，就能夠形成各種各樣的圖線或圖形。顯然，這是一種納米繪畫創(chuàng)作的好思路。DNA可視化藝術(shù)可視化藝術(shù) 一個29歲的德國藝術(shù)設(shè)計(jì)師發(fā)明了一種簡單的圖像學(xué)算法，將各種動植物的基因數(shù)據(jù)“可視化”，用鮮艷的色彩和圖案表現(xiàn)出來。這些DNA藝術(shù)品在全世界都很受歡迎。圖像的制成成本只有5歐元。 展望 DNA簡單的編碼構(gòu)造出