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把 DNA 當紙來折!

文/承恩

 

圖一:紙可以摺疊出許多複雜的形狀,DNA 也可以喔!

圖一:紙可以摺疊出許多複雜的形狀,DNA 也可以喔!

自從華生、克利克[注]於1953年發現 DNA 的雙股螺旋結構之後,就有人想要利用兩股 DNA 之間的吸引力把DNA塑造成不同的形狀。只要動一點巧思設計出適當的 DNA 序列,就可以利用這種吸引力把 DNA「摺疊」成各式各樣的形狀。

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圖二:(左)DNA雙股螺旋結構,中間由化學鍵結—氫鍵—所構成。 (中)圖上每一條相同顏色的線,都是一股DNA。只要設計出適當的序列,DNA兩股之間的吸引力就可以把多股DNA組成各式各樣的形狀。 (右)使用原子力顯微鏡觀察到的真實結構。(圖片來源)

DNA 雙股螺旋結構的原理

將兩個乾燥的物體互相摩擦會產生電荷,而正負電會相吸,這是基本的物理現象。在微小的分子包含 DNA 這個性質仍就成立。在小分子裡,有些原子本來就傾向帶負電,例如氧;有些原子天生傾向帶正電,例如氫。氫元素跟氧元素形成水的時候,水分子裡頭電荷並不是完全均勻分布,因此會導致水分子之間相吸的現象。

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圖三:每個水分子帶有一個氧原子跟兩個氫原子。紅色是氧原子,白色是氫原子。氧原子傾向帶負電,氫原子傾向帶正電,導致水分子之間有著吸引力。(注:上面的數字代表距離,1Å = 10^-10公尺)(圖片來源)

DNA(去氧核醣核酸)是一種比水大上許多的分子。事實上,它是由四種不同的單元分子(鹼基)串接而成,人們常常聽到的 A, T, C, G 分別就是這四種單元分子。而鹼基 A, T 之間會產生兩個氫鍵使其互相吸引,鹼基 C,G 之間會產生三個氫鍵使其互相吸引。

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圖四:鹼基之間會型成氫鍵(虛線)。英文字母 O 代表氧原子,H 代表氫原子,氧原子與氫原子之間會彼此相吸。注意光是鹼基單元結構就已經比水大上許多,這張圖已經省略了大部分的結構。

因此,當其中一股 DNA 含有 A 鹼基時,就可以跟另一股含有T鹼基的 DNA 進行配對,最後形成了雙股螺旋結構。

如何設計出適當序列將 DNA 摺疊出來呢?

既然 A, T 兩個鹼基以及 C, T 兩個鹼基會彼此相吸,其實並不一定要兩股一樣長的 DNA 構築成雙股螺旋的結構。事實上,如果只有一股 DNA,自己的 A, T 鹼基也有機會發生相吸的現象。在 DNA、蛋白質演進出來之前,更原始生物體裡的 RNA(跟 DNA 相近但通常只會有單股,較不穩定)就能夠自行折疊出適當的形狀來執行所需要的功能。

圖五:核酸能自行摺疊出具有催化能力的「酵素」(Ribozyme,核脢)。根據目前的理論,酵素(蛋白質)是DNA轉錄再轉譯而成,但DNA的合成又需要酵素,變成是雞生蛋,蛋生雞的問題。這種自行摺疊又具有催化功能的核酸或許這個問題的答案。

圖五:核酸能自行摺疊出具有催化能力的「酵素」(Ribozyme,核脢)。根據目前的理論,酵素(蛋白質)是DNA轉錄再轉譯而成,但DNA的合成又需要酵素,變成是雞生蛋,蛋生雞的問題。這種自行摺疊又具有催化功能的核酸或許這個問題的答案。(圖片來源)

自然界出現的摺疊形狀遠比人類想像的要複雜。要想出多條 DNA 並且設計出正確序列構築出想要的形狀的確是一件很不容易的事情。然而,人類還是可以試圖用比較簡單的方法摺出近似的形狀。其中一個簡化的方法就是只拿一條很長的 DNA 單股序列,然後設計出一系列長度非常短的 DNA 序列(Staple DNA),讓 DNA 在適當的位置相吸,造成想要的形狀。如同摺玫瑰花,我們不再需要設計多張不同形狀的紙組合成玫瑰,只要拿一張紙,設計出正確的折疊位置即可。是不是越來越像是真正的摺紙了呢?

目前所使用的 DNA 摺疊方法源自於美國加州理工學院教授 Paul Rothemund。藉由電腦軟體(目前常見的軟體為 Cadnano),使用者只需要設計出形狀即可,一系列短的 DNA 序列(Staple DNA)會自動被電腦計算出來。Paul Rothemund 設計並且製作了出了一些有趣的圖案,例如笑臉。

DNA摺紙的應用

資料存放

DNA 因為是由許多鹼基排列而成,因此除了可以摺出有功能的形狀外,同時還能存放資訊。除此之外,同樣的資訊量,DNA 的體積比傳統的電腦硬碟或隨身碟來得小。一毫米的線蟲就含有一億個鹼基對,可見資料存放的密度之高。

圖六:DNA摺出來的不只是形狀,更能帶有龐大資訊

圖六:DNA摺出來的不只是形狀,更能帶有龐大資訊。(圖片來源)

DNA 電腦

目前有大量需要平行計算的問題,而這需要大量的運算資源。一個核心不夠用,工程師就設計出雙核、四核、八核的處理器,或者是把所有電腦串接在一起集中所有運算資源變成超級電腦。然而雖然現代科技已經可以將電路製程縮小到奈米等級,建造及維護成本還是一個很可觀的數字。

如果 DNA 具有運算的能力,能夠接受外界的輸入並且處理後輸出,我們將能大幅壓低運算所需的成本。雖然生物體或 DNA 的反應速度可能不及電路,但因為可以大量平行化的關係,因此在解決巨大的問題時不見得吃虧。

生醫用途

只要設計得當,這些摺疊出來的DNA結構就能對外面的環境有所反應。目前已經有人將 DNA 摺疊成可以被打開的盒子。在盒子裡面放入藥物,並且在特定位置釋出以治療疾病,是其中一個構想。

目前哈佛大學發起的生物分子設計競賽(Biomod)匯集了許多有趣的構想,最近我們學校(臺灣大學)也派了代表隊參加,有興趣的人可以到這個比賽網站看看喔!

註:當時是華生、克立克發現結構,但女科學家羅莎琳·富蘭克林提供了非常重要的貢獻(X 光繞射照片)。然而,華生與富蘭克林之間的關係始終都是充滿著爭論。1962年華生、克拉克因為發現 DNA 結構獲頒諾貝爾獎,但富蘭克林卻在1958年過世(諾貝爾獎無法頒給已經過世的人),因此沒辦法得知若她仍在世是否會被提名。

 

資料來源:
http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_nanotechnology
http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_origami#cite_note-lin-6
http://biomod.net/

本篇授權轉載於【腦子醒了‧Brainy Waker

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