DNA（脫氧核糖核酸）是一種傳遞生命密碼的神奇物質(zhì),，它為人所熟知的是雙螺旋結(jié)構(gòu)，時至今日,，這種生命的分子竟然會變得如此富有創(chuàng)意,。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院魏迪明分子設(shè)計課題組和清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院向燁課題組在《自然·通訊》雜志上發(fā)表論文稱，他們以DNA簡單分支作為結(jié)構(gòu)單位,，構(gòu)建了管狀結(jié)構(gòu),、多面體和多層三維陣列結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這使得核酸分子設(shè)計的最初藍(lán)圖得以實(shí)現(xiàn),。
把DNA自組裝成所需二維圖案
作為一種天然的生物大分子,，DNA不僅是生命的密碼，還可作為制造納米級構(gòu)件和機(jī)器的通用元件,。由于DNA的尺寸為納米級別,，具有剛性結(jié)構(gòu),、編碼性強(qiáng)的特點(diǎn)，于是,，DNA納米技術(shù)的研究者利用DNA分子的自組裝特性,，根據(jù)核酸堿基互補(bǔ)配對的作用，設(shè)計并在試管中構(gòu)造出精確而復(fù)雜的,、納米級精度的有序結(jié)構(gòu),。這種DNA納米結(jié)構(gòu)還可以在特定的位置對DNA鏈進(jìn)行修飾，使之作為支架引導(dǎo)其他分子或納米材料進(jìn)行可控的自組裝,。
這一新興的領(lǐng)域被稱為DNA折紙技術(shù),。折紙是指人們能用一張紙，就可折疊出飛機(jī),、青蛙和花朵,。同樣的，發(fā)明DNA折紙技術(shù)的科學(xué)家使用比頭發(fā)絲還細(xì)一千倍的DNA和RNA等核酸分子,，折疊,、自組裝成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。而當(dāng)DNA中互補(bǔ)的核苷酸堿基接觸并結(jié)合時,，就會產(chǎn)生這樣的結(jié)果,。
2006年，加州理工學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)通過DNA折紙術(shù),，選用噬菌體M13的基因組DNA作為長鏈,，然后用兩百多條短的單鏈DNA通過堿基互補(bǔ)配對原則，“釘”在長鏈構(gòu)成的支架上,，將長鏈折疊成想要的矩形,、三角形、五角星和笑臉等多種二維平面圖案,。
傳統(tǒng)的DNA自組裝方式是要先用酶將DNA分子“切”開,，然后在模具中重新組建其雙螺旋結(jié)構(gòu)。與之相比,，DNA折紙術(shù)不僅能在納米尺度上進(jìn)行更為精確的組裝與排列,，得到更復(fù)雜精細(xì)的可編程圖案與結(jié)構(gòu)，而且實(shí)驗(yàn)操作更為簡便,、組裝效率更高,。
一條長單鏈DNA代替許多短鏈DNA
不過，使用長短鏈配對組合的DNA折紙技術(shù)時,，由于具有如此多的短鏈DNA,，科學(xué)家不能利用生物系統(tǒng)，將它們進(jìn)行復(fù)制，因此,，解決這個問題的一種方法是,，設(shè)計一條能夠自我折疊成任何結(jié)構(gòu)的長鏈DNA。2017年,，美國亞利桑那州立大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種單鏈折紙術(shù),，使用長而細(xì)的面條狀單鏈DNA或RNA（核糖核酸），先后經(jīng)過加熱和冷卻處理,，使其折疊成所設(shè)計的結(jié)構(gòu),。
科學(xué)家通過破解RNA的結(jié)構(gòu)形成機(jī)制，通過克隆其序列,，在大腸桿菌等活細(xì)胞中,，或利用酶在試管中制造出所需要的特定結(jié)構(gòu)單鏈DNA和RNA。
納米機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療
我國科學(xué)家在DNA折紙技術(shù)方面也取得了較多突破,，2017年清華大學(xué)魏迪明分子設(shè)計實(shí)驗(yàn)室就提出了一種新的構(gòu)建DNA折紙結(jié)構(gòu)方法,，即折疊骨架DNA形成鏈交換位點(diǎn)，以骨架DNA的折疊片作為結(jié)構(gòu)模塊,，相鄰的結(jié)構(gòu)模塊通過平行排列的支架DNA互相固定,。這種構(gòu)建讓DNA折紙結(jié)構(gòu)變得模塊化,，從而降低了DNA折紙結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度和成本,，并提高了所得結(jié)構(gòu)的可變性和復(fù)雜度。
DNA折紙技術(shù)的應(yīng)用正在深入,?？萍疾炕A(chǔ)研究管理中心發(fā)布的2018年度中國科學(xué)十大進(jìn)展中，就包括國家納米科學(xué)中心等研發(fā)的納米機(jī)器人項(xiàng)目,。對此,，中科院化學(xué)研究所研究員高明遠(yuǎn)評價說，不同于眾所周知的化療,、靶向治療策略,，納米機(jī)器人項(xiàng)目組提出了一個全新的治療方式?！笆紫扔肈NA折紙技術(shù)構(gòu)建了一個片狀的分子,，然后把它折疊起來，形成一個藥物載體,。在這個載體的邊緣,，加載了可以識別腫瘤的分子。這個藥物載體到達(dá)腫瘤區(qū)域被識別后才會再打開,，把里面包載的藥物釋放出來,，實(shí)現(xiàn)腫瘤的精準(zhǔn)治療?！?/p>
目前,，利用DNA折紙技術(shù)研發(fā)的納米機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在豬和小鼠等活體血管內(nèi)穩(wěn)定工作,，并高效完成定點(diǎn)藥物輸運(yùn)功能。而清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院等公布的最新研究中,，構(gòu)建的管狀,、多面體和多層三維陣列等結(jié)構(gòu)的每條短鏈DNA具有不同序列，能進(jìn)行特定位點(diǎn)的序列設(shè)計和修飾,，因此,，可為精準(zhǔn)醫(yī)療等提供更好的支撐。
