重磅！DNA摺疊技術將投入藥物開發，可精準殺傷癌細胞

導語：眾所周知，DNA是真核生物的遺傳物質，獨特的結構蘊藏著神奇的遺傳信息，鹼基互補配對原則使得兩條互補的DNA單鏈得以結合在一起，保證了信息的準確性。最新技術發現DNA的結構並非一層不變，現在可以人為地設計並「摺疊」出你想要的形狀！沒想到DNA竟如此「好玩」。

DNA摺疊——多變的DNA結構

1953年，詹姆斯·d·沃森(James d . Watson)和弗朗西斯·h·c·克里克(Francis H.C. Crick)通過另一位科學家羅莎琳德·富蘭克林(Rosalind Franklin)的研究提供的數據幫助，首次成功地進行了DNA結構的建模。

從那以後，每當我們想到DNA時，我們通常會想到富蘭克林、沃森和克里克所描述的的雙螺旋形、梯狀結構。

圖|傳統意義上的DNA結構

然而，現在，我們知道，這種經典的結構並不是DNA唯一的一種結構。因為事實上，科學家們已經將DNA摺疊成了一種新的形式——他們稱這種技術為「DNA摺紙」技術。

正如這個名字所示，該技術就是利用DNA分子的特殊結構和鹼基互補配對規則，將天然DNA長鏈的特定區域進行摺疊，並用短鏈加以固定，構造出預期的結構。DNA摺紙科學家利用DNA長單鏈創造了包括心形、三角形、甚至笑臉表情符號在內的許多不同的形狀。

最近，亞利桑那州立大學(ASU)和哈佛大學(Harvard University)的一些科學家將DNA摺疊技術(DNA Origami)提升了一個層次。現在，他們正在用一種長麵條式的DNA鏈來創造「單股摺疊」(ssOrigami)。這種摺疊可以進行多次自我摺疊而不會打結，「單股摺疊」技術的出現標誌著DNA納米技術的顯著進步。

圖|利用DNA鏈摺疊技術製作的心形（左圖）和菱形（右圖）

科學家們不僅使用DNA進行摺疊技術的研究，他們也會使用RNA進行摺疊。但是以前，只有兩種方法來製造有限尺寸的DNA 或 RNA結構：第一種是使用分子磚(用來搭建」DNA」大廈的納米顆粒」磚頭」,其上可以粘連DNA分子)。這樣，更小更短的DNA鏈可以摺疊在一起。第二種是用支架支撐DNA，這種方法必須使用輔助DNA鏈來將DNA鏈精準地固定在某一位置。

「在我們的研究中，最主要的創新點是利用DNA和RNA構建一個可供編程設計的複雜結構，這樣，我們就可以在DNA單鏈上順利地進行摺疊。」該技術的共同開發者、ASU生物設計研究院分子設計和仿生學中心主任Hao Yan說，「這為我們提供了一個全新的設計策略，通過這種方法，我們可以將一條長鏈摺疊成更為複雜的結構。」

一旦研究團隊完全理解了RNA結構的構成，他們就能夠開發一種可供編程設計的單鏈摺紙結構。他們使用新的演算法以及方便用戶使用的簡單軟體工具，製作了一系列DNA摺疊結構：四個菱形和兩個心形。

圖| DNA摺紙術是DNA納米技術與DNA自組裝領域的一個重大進展。

新形式的納米技術

Yan解釋說，他認為這種摺疊技術的新發展是合成生物學的一個新機遇，而且它已經能夠被投入使用了。在將來，Yan和他的團隊可能會設計並生產出能夠在細胞內將藥物運送到損傷部位的納米機器人，這個想法與正在探索中的移除癌細胞的想法類似。

圖|早在2009年，丹麥奧胡斯大學的研究者做了一個DNA摺紙盒子，蓋子上還有一段特定的DNA序列，也就是說我們可以用這個盒子裝入藥物，並利用基因在指定位置釋放藥物。

最重要的是，用於製造DNA摺疊的單鏈DNA可以在活細胞內產生。之前的實驗中，研究小組能夠將DNA插入到被提前放置在大腸桿菌細胞內的質粒中，以此證明了上述事實。

「在大腸桿菌中，DNA質粒很容易被複制，因此，我們可以通過大規模增加低成本的大腸桿菌細胞來擴大DNA質粒的生產規模，」 Yan解釋說。但是，單股DNA也可以從實驗室中提取出來，只不過這一提取過程的成本非常昂貴。

在未來，我們有可能不需要預先產生單鏈DNA，就能通過單股摺疊結構使細胞內的單鏈發生變化。根據Yan的說法，最好的情況下，我們會設計出能夠在細菌內部被轉錄的RNA序列。在內部，RNA鏈會自我摺疊並創造出設定好的形狀。這樣，細菌就可以被當成可以生產更多的DNA和RNA結構的「工廠」。

「我們在大幅度降低成本的同時也極大地提高了技術的複雜性。」 Yan總結說，「這項研究自下而上的極大提高了納米技術的設計空間和可擴展性，並為健康應用的開發打開了一扇大門。」

DNA運送藥物不僅十分精準，還有它的天然優勢——比起別的納米材料，細胞就是更願意親近DNA摺紙。國家納米科學與技術中心做過一項實驗，發現用DNA摺紙搭載阿黴素，殺傷乳腺癌細胞的效果更好。DNA摺疊技術除了用來醫療，還可以利用其核苷酸帶電性進行藝術圖畫的創作（小DNA就成了發光的小燈泡）。DNA摺疊這一新技術，或將在科學家的手中展現出更多出人意料的神奇功能。

編譯 | 譚冰玥

審校 |大浪淘沙

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