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訂作一個會微笑的 DNA

2011/02/10 | 未分類 |

Original publish date:Jun 09, 2006

編輯 Keelungman 報導

結合創意巧思與電腦程式的自動設計,訂作一個任意形狀的二維 DNA 奈米元件將不再是夢想。

來自加州理工學院的 Paul W. K. Rothemund,於 2006 年三月份的 nature 雜誌上發表一個重要的研究進展:現在我們可以利用相當簡 單的方法,將一段單股的長鍊 DNA 折疊成任意的二維形狀,甚至可以 在這個奈米器件上繪製任意的圖案。

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會微笑的 DNA (圖片來源 Paul W.K. Rothemund’s web site)

一般來說,DNA 以雙股螺旋的型態穩定存在。當 DNA 分離成單股的狀 態時,很容易發生同一條 DNA 上的鹼基彼此配對,糾結成一個複雜的 線團,這種型態通常被稱為二級結構。經過適當的設計,這種二級結 構可以再自我組織成特定的幾何結構,如 2004 年時一組美國的研究 團隊,成功地利用單股 DNA 合成出奈米八面體。但是這種設計的難度 相當高:鹼基序列必須只讓 DNA 的特定區域間彼此相接,卻又不能讓 這條 DNA 出現另一種組合方式;再者當特定的二級結構完成時,如何 誘導該結構拼湊成最終的形狀,這些都是亟待挑戰的課題。

這位加州理工的科學家提出了一個絕妙的點子:既然我們希望這個 DNA 摺紙要固定成想要的形狀,那不妨釘個釘書針上去!這個訂書針 由寡聚核苷酸 (oligonucleotide) 製成,上面有幾段序列,可以跟單 股 DNA 上不同位置的序列對應,如此便可將 DNA 上不同的位置經由 這個釘書針釘在一起。而且這種釘書針有個特異功能,如果單股 DNA 自己已先折疊成我們所不期待的二級結構,它可以鑽進去把這個結構 解開!這種寡聚核苷酸長度短容易定做 (一般約 32 個鹼基),但它可 容許的編碼尺度足以標定複雜的平面結構。

他構思一種可以任意訂作的二維 DNA 奈米元件:首先設計一個想要的 二維形狀,然後拉一條線在圖案內來回填滿這個圖形,此時要考慮每 條線的寬度與長度必須能配合雙股 DNA 的尺寸單位,設計完成後這條 線可以視為該圖案的骨架。下面的步驟交給電腦程式規劃,程式會自 動標定出適合安插釘書針的位置,讓寡聚核苷酸序列穿過許多縫隙 處,使最終產生出來的 DNA 圖案不致於鬆散不成形。如果這條用來當 骨架的單股 DNA 是已知的序列,那麼程式也會設計出所有需要的寡聚 核苷酸序列。

他利用 M13mp18 genomic DNA 來示範他的點子。該 DNA 經小幅度剪 裁後可摺疊 100 層,需要約 200 到 250 支寡聚核苷酸釘書針。他測 試過正方形、長方形、星形、空心的三角形,以及一個可愛的笑臉圖 案。將單股 DNA 與訂製的寡聚核苷酸泡在一起,兩個小時內逐步將溫 度由攝氏 95 度降到攝氏 20 度,最後將樣品滴在雲母基板上由 AFM 掃描影像。結果顯示他的製程可以成功地將 DNA 折疊成所設計的圖 案,這位科學家並宣稱他的方法有著相當高的產率與良率。

經由適當設計,我們可以在這種釘書針上增加一段序列,該序列會自 我組合成一個啞鈴狀的二級結構,當 DNA 二維圖形完成後,可以從 AFM 掃描影像分辨出來。由於特定的釘書針只在圖形上的特定位置出 現,所以可以利用這種方法在 DNA 二維圖形上畫出想要的圖案。整段 DNA 圖形約可容納 200 根釘書針,也就表示該圖案可以擁有 200 個畫素。在實驗中科學家示範了在 200 奈米大小的 DNA 畫布上繪製 出美洲地圖。另外,在寡聚核苷酸上還可以增加一段未配對的鹼基序 列,當單股的 DNA 圖形組合完畢後,這些未配對的段落將會導引整張 DNA 圖案與其他的未配對序列互相連接,如此可將不同塊 DNA 零件兜 出更大的奈米器件。

這位科學家相信,這次所開發的方法將有無窮的發展潛力。這套 DNA 摺紙術應該可以直接應用到建構三維的奈米結構,而且只要有不具週 期性的百萬鹼基單股 DNA,這套方法應該可以直接製造出微米尺度的元件。

參考來源:

相關連結:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

  • [Sep 02, 2004] 強勁的分子發動機—RNA奈米馬達(nano-motor)
  • [Jan 03, 2003] 生物+電子﹕碳奈米管來牽線
  • [Mar 05, 2002] 奈米技術進程-DNA機械操作改良
  • [Aug 18, 2000] 一種夾子—-DNA馬達的出現

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