是航海、钓鱼、攀岩等人类活动不可或缺的工具(更不用说系鞋带了)。然而，如果它只有十亿分之一米长，就需要耐心和高度专业化的专业知识才能在花边状的DNA链上打结。严昊是亚利桑那州立大学的一名研究员，在这个微妙而奇特的领域进行实践，在纳米技术和美术的十字路口运作。在《自然通讯》杂志上发表的一项新研究中，严和他的同事、齐晓东等人描述了一种将单链DNA片段诱导成复杂的二维和三维打结结构的方法。

这一结果代表了DNA纳米技术这一快节奏领域的重要进展，在这一领域中，生命分子被用作大量微小结构的结构建筑材料。包括微型机器人设备、光子应用、药物输送系统、逻辑门以及诊断和治疗应用。“这项工作中展示的打结DNA结构显示了前所未有的拓扑复杂性，远远超过了使用单链折叠之前所取得的结果，”严说。“事实上，单链DNA和RNA可以穿过自己的链，并找到形成如此高结构的方法，这不仅令人惊讶，而且令人惊讶，因为单链要编织这么多缠结”。阎负责生物设计、分子设计和仿生学中心，是亚利桑那州立大学分子科学学院马丁格利克的特聘教授。

将DNA折叠起来

这项新研究涉及DNA折纸领域的创新。顾名思义，它利用DNA、RNA等核酸进行折叠，自组装成复杂的形式。当DNA的4个字母字母表中的互补核苷酸碱基接触并结合时，就会发生这种情况。按照严格的方案：碱基C总是与G配对，碱基A总是与t配对，在自然界中，核酸串提供了制备复杂蛋白质所需的代码。这一基本生物学为所有地球生命提供了基础。利用DNA简单的碱基配对特性，我们可以在实验室设计自组装结构。这种方法已经应用于单链和双链DNA形式，导致纳米结构的复杂性和复杂性增加。

虽然DNA折纸自成立以来取得了惊人的进步，但很难实现一次技术创新。到目前为止，研究人员还无法以可预测和可编程的方式在DNA中创建复杂的打结结构。这项新工作克服了这一障碍，并建立了一个精确的设计规则，允许单链DNA片段(或RNA)在1800-7500个核苷酸的范围内形成交叉数(其中DNA链在其自身长度之内和之外编织)从9到57的打结纳米结构。该小组进一步证明，这些核酸纳米结构可以在实验室条件下和活体系统中复制和扩增。

自然之结

像颜那样的打结结构(但比合成结构简单得多)在本质上具有相关性。已在DNA和蛋白质中观察到，通常在复制和转录过程中形成(当DNA序列复制成信使RNA时)。它们也可以出现在噬菌体(感染细菌细胞的病毒)的基因组中。然而，纳米级分子结的结构显示出清晰和一致的几何形状，这需要很大的控制和精度。事实上，DNA等核酸非常适合这种分子结的设计和合成。以前，双链DNA的长度已被用于纳米结构，并添加了短片段或“短纤维束”来将所得结构固定在一起。这项新研究使用单一长度的DNA设计将自己包裹在一个精确的、预先编程的步骤序列中。

一旦成功组装了打结的DNA纳米结构，就可以用原子力显微镜对它们进行成像。仔细的计算使研究人员能够优化折叠路径，从而为每个合成结构产生最高的产量。用单链DNA代替双链DNA可以以低得多的成本大量生产结构。单链方法为设计具有特定和明确功能的纳米结构打开了大门，这些功能可以通过连续几轮体外进化来产生，其中所需的属性在重复的精炼过程中被选择。此外，新研究中概述的方法为设计尺寸更大、复杂性前所未有的分子结构提供了一个通用平台，为纳米光子学、药物输送、低温EM分析和基于DNA的记忆存储的进步铺平了道路。

设计师DNA(和RNA)

对于最初的结设计之一，严和他的同事们开发的策略包括根据预编程的序列将单链DNA或RNA通过自身9次，这证明了新方法可以产生可编程的复杂几何形状，这些形状可以复制和扩展。随后，设计策略被扩展到包括单链RNA结构和3D DNA结，并使用一种称为低温透射电子显微镜的技术重建了它们的形式，这证实了它们被正确折叠成所需的形状。

“这项工作的挑战之一是如何提高高度打结结构的组装产量。”菲菲说。与传统的DNA纳米结构不同，由于拓扑结构的复杂性，单链连接在精确的折叠顺序上是不可容忍的。如果单个交叉点在过程中折叠不正确，错误将很难自行纠正，并且大多数折叠错误将保留在完成的结构中。“我们开发了一种分层折叠策略来指导结的正确形成。通过使用不同的折叠路径，我们比较了具有23个交叉点的纽结的折叠效率。AFM图像显示模型结构的折叠产率从0.9显著增加。通过应用优化的分层折叠方法，从%提高到57.9%。”费用另计。优化折叠路线的设计规则基于设计结构中交叉点的数量、DNA的长度和碱基对的数量。制定了三项主要规则。首先，发现线性折叠路径优于分支路径。其次，当链仍然很长时，DNA链的未折叠部分不应在早期阶段穿过自身。最后，具有三个交叉点的期望形状的边应该在具有两个交叉点的边之前折叠。

按照设计策略，团队可以通过增加杂交数量来创造更复杂的DNA结。

由于构成链的碱基的意外自我修复的可能性越来越大，单链DNA的长链对程序化纳米结构的设计提出了独特的挑战。DNA结构成功组装了57个交叉节点，但产量相对较高。

低，精度较低。当交叉数增加到67时，产量显着下降，由AFM成像的所得结构显示出更多的装配误差。该研究报告了迄今为止最大的DNA结，由多达7.5k的基础组成，具有最复杂的拓扑结构，具有多达57个交叉区域。单链DNA序列可以在活细胞中大量生产，以更低的成本获得更高的效率。最终，可以在细胞内形成具有不同功能的DNA纳米结构，在未来的工作中将要追求创新。