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4篇Nature同时揭示DNA自组装技术,离人造生命又近了一步

已有 891 次阅读 2017-12-7 19:08 |个人分类:文章介绍|系统分类:论文交流|关键词:Nature,DNA,合成技术,纳米结构,高通量,低成本


iNature:自组装过程以各种形式存在于自然界中,从分子水平的蛋白质折叠和形成脂双层到建立地球的整个生物系统【1】。 科学家一直渴望利用自组装来构建人造物体,以达到细胞或细胞器的尺寸和复杂性,以便为研究,工程和医学应用构建合成的细胞机器。 在这个问题上,Nature的四篇论文【2-5】通过报告扩大DNA自组装和设计纳米结构的尺寸和生产的方法来解决这个目标。



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生物聚合物如DNA,RNA和蛋白质都被用作构建纳米尺度结构的基石,调节生物体的功能【6,7】。 DNA是最有用的纳米级构建模块,因为它具有几个优点 - 特别是其可编程性,其来源于在互补DNA链的碱基之间形成的可预测和稳定的配对结构。 此外,DNA结构稳定,双螺旋的几何特征得到了很好的研究,并且与其他生物分子相容,这就允许构建功能复杂的“异质生物材料”。 已经开发了各种DNA自组装方法【8】,用于构建展现出大的几何复杂性和纳米级精度的合成结构。


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Fractal assembly of micrometre-scale DNA

origami arrays with arbitrary patterns论文配图


DNA纳米技术的里程碑之一就是DNA纳米孔材料的发明【9】。 在这种技术中,长的单链DNA在数百个称为“钉书针”的短DNA链的帮助下被折叠成目标形状。 短链被设计成与长DNA的特定区域互补,从而引导折叠过程。 已经使用这种技术制造了各种2D和3D纳米物体。 其中许多是完全可定位的【10】; 也就是说,他们可以在选定的位置进行修改,以满足未来应用的需要。 然而,单个DNA折纸纳米结构的尺寸受限于它们所构建的支架DNA的长度。 例如,一种广泛使用的支架是长约7200个核苷酸的基因组DNA,可折叠成直径不超过100纳米的折纸结构【9,10】。

DNA纳米技术的另一个重要设计策略是单链瓦(SST)组装【11】,其中SSTs-由单链DNA形成的纳米级二维矩形或三维砖通过形成DNA双链而彼此互锁 在他们的界面。 SST的集合被用来形成2D图纸或3D图块,通过简单地包含或省略特定的SST【12】,可以选择性地“雕刻”以创建不同的图案和形状。 但是用这种方法产生的DNA结构的大小通常与折纸纳米结构的大小相当; 较大的结构已经准备好,但合成效率很低。 在这个问题上报道的论文基于SST和折纸策略来制造微米尺寸的结构,并扩大可生产的数量。



Gigadalton-scale shape-programmable

DNA assemblies论文配图


Tikhomirov等人【2】(第67页)使用以表面图案(由折纸表面延伸的DNA链形成)构成的方形DNA折纸作为构建单位,以创建直径约半微米的二维DNA折纸阵列(图1a)。 方形折纸通过在它们的界面处形成短DNA双链体而连接在一起。 为了对方形折纸之间的相互作用进行编程,作者开发了一种分形方法,其中局部装配规则被递归地用于组装越来越多的方形折纸阵列的多步骤过程。 Tikhomirov及其同事还制作了名为FracTile Compiler的设计软件,这将能够设计出DNA序列和实验程序来制作大型DNA模式。 作者通过使用它制作了几张DNA“图片”,包括蒙娜丽莎,一只公鸡和一个国际象棋游戏模式【3】,验证了这一自动设计过程。


图.1 制造微米级DNA物体的方法


Wagenbauer等【3】(第78页)使用另一种分层自组装方法(图1b),制作了尺寸达微米级的3D DNA折纸结构。 他们用一个V形的DNA折纸物体作为基本的构件,其中V的角度可以改变。 通过控制构件之间的几何关系和相互作用,可以构建高阶组件。 作者通过构建直径达350nm的堆叠平面环和直径达450nm的三种多面体构建微米级长管(类似于一些细菌的尺寸)证明了其方法的能力。

Ong等【4】(第72页)报道了一种方法,可以在微米级进行3D SST DNA构建(图1c)。 通过扩展第一代SST系统的原理,作者设计了由52个核苷酸组成的砖状DNA构建模块,其中含有4个13个核苷酸的结合结构域。 这些领域使砖块能够组装成更大的结构。 与第一代砖块(含有四个结合域,每个由八个核苷酸组成)相比,DNA砖块的较长结合域为较大的组装结构提供更好的产量和稳定性。 作者开发了称为Nanobricks的软件来设计制作目标3D对象所需的砖链,并用它来规划一组不同复杂体系结构的综合。


Programmable self-assembly of three-dimensional nanostructures

from 10,000 unique components论文插图


Praetorius等人(与Wagenbauer及其同事属于同一研究小组;第84页)报道的生物技术将大大降低通常用于制造DNA折纸的数百个主链的成本。 他们使用被称为噬菌体的病毒来产生含有数百个短链序列的单链前体DNA。 这些序列被切割自身的“DNAzyme”序列分开; 裂解产物然后自组装成指定的DNA折纸形状。 值得注意的是,作者的方法将折叠的DNA折纸结构的成本从约每毫克200美元降低到约20美分。 这一战略将实现DNA折纸和SST结构的可扩展和高效的大规模生产,从而实现大规模应用,如治疗,药物输送系统和纳米电子设备。


Biotechnological mass production

of DNA origami论文插图



这些论文还为生物分子工程领域的长期挑战提供了解决方案,提供了从较小的构建块制造自组装结构的低成本方法,其尺寸可以使用互补的“自顶向下”技术 (那些用散装材料雕刻结构的)。 此外,所报道的DNA结构足够大以使得能够与细胞相互作用用于治疗应用的装置的生产,或制造用于制造合成聚合物或程序细胞 - 细胞相互作用的复杂分子机器和装配线。 这样的自组装结构甚至可以用于合成细胞器以监测和调节活细胞中生物过程的系统。



:主要编译Nature文章,适当的加入自己的观点,想知道详细情况,可参考原文。另外,所有的图片都是来源于Nature。


原文链接

https://www.nature.com/articles/d41586-017-07690-y


https://www.nature.com/articles/nature24651


https://www.nature.com/articles/nature24655


https://www.nature.com/articles/nature24648


https://www.nature.com/articles/nature24650





参考文献


1. Whitesides, G. M. & Grzybowski, B. Science 295,2418–2421 (2002).

2. Tikhomirov, G. et al. Nature 552, 67–71 (2017).

3. Wagenbauer, K. F. et al. Nature 552, 78–83 (2017).

4. Ong, L. L. et al. Nature 552, 72–77 (2017).

5. Praetorius, F. et al. Nature 552, 84–87 (2017).

6. Chen, Y.-J., Groves, B., Muscat, R. A. & Seelig, G. Nature Nanotechnol. 10, 748–760 (2015).

7. Li, J., Green, A. A., Yan, H. & Fan, C. Nature Chem. 9,1056–1067 (2017).

8. Zheng, J. et al. Nature 461, 74–77 (2009).

9. Rothemund, P. W. K. Nature 440, 297–302 (2006).

10. Douglas, S. M. et al. Nature 459, 414–418 (2009).

11. Wei, B., Dai, M. & Yin, P. Nature 485, 623–626 (2012).

12. Ke, Y., Ong, L. L., Shih, W. M. & Yin, P. Science 338, 1177–1183 (2012).





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