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。
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。
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。
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。
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。
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。