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      談及DNA,仍然只想起雙螺旋結構,那你Out了!

      來源:生物谷 2016-06-21 23:22


      DNA桶,圖片來自Campbell Strong、Shawn Douglas和Gaël McGill。

      2016年6月21日/生物谷BIOON/--提起DNA,我們還是想起經典的雙螺旋結構?那就Out了。利用DNA中的堿基配對原則,科學家們能夠利用DNA分子構建出各種各樣的結構,而且這些結構具有遠非我們能夠想象的用途。

      DNA是大自然中一種最為神奇的分子之一。從微觀而言,它攜帶的遺傳指令是產生地球上幾乎任何一種生物所必需的。如今,科學家們正在發現新的方法推動DNA的進一步應用:不僅利用它儲存遺傳信息,而且也利用它構建眾多生物機器(biological machine)中的物理組件。

      DNA攜帶包括人類在內的所有生物用來發揮功能的遺傳信息。它通常呈現出著名的雙螺旋形狀,由兩條單鏈DNA分子折疊成螺旋結構。每種DNA都是由一連串4種不同的堿基:腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)以及胞嘧啶(C)組成的。

      基因是由不同的堿基序列組成的DNA片段,這些堿基出現在DNA鏈上的次序就是基因編碼的遺傳信息。但是,通過準確地設計不同的堿基(A、G、T和C)序列,科學家們最近能夠利用DNA折紙術(DNA origami)將DNA折疊成不同的形狀,而不是常規的雙螺旋結構[1]。

      這種方法為DNA的新用途(而不是它的遺傳和生物學功能)提供可能:將它轉化為類似樂高的材料從而用來建造直徑僅僅為幾十億分之一米的物體。如今,基于DNA的材料正被用于各種各樣的應用之中,比如用作構建納米設備的模件,再比如準確地將藥物運送到患病細胞中,等等。

      基于DNA的納米溫度計

      設計尺寸僅僅納米大小的電子設備為各種各樣可能的應用開辟道路,但是這也使得人們更難觀察到它們當中的缺陷。作為一種解決這種問題的方法,來自加拿大蒙特利爾大學的研究人員利用DNA構建出超靈敏的納米溫度計,它們能夠發現納米設備中的微小熱點(這表明存在缺陷)[2]。它們也能夠被用來監控活細胞內的溫度。

      這些納米溫度計是利用作為起著開關作用的DNA環制作而成的,它們通過折疊或展開對溫度變化作出反應。這種運動能夠通過將光學探針(optical probe)附著到這種DNA環上而被檢測到。如今,研究人員想要利用這些納米溫度計構建出更大的能夠在人體內工作的DNA設備。

      生物納米機器人

      來自美國哈佛醫學院的研究人員利用DNA設計和構建出一種納米大小的機器人,它被用作一種藥物運送載體靶向作用于特定的細胞[3]。這種納米機器人呈現出開放的DNA桶結構:它的兩半由一種鉸鏈區連接在一起,而且特殊的DNA柄讓這種鉸鏈區保持關閉狀態。這些DNA柄能夠識別細胞表面上存在的特異性蛋白組合,如與疾病相關聯的特異性蛋白組合。

      當這種納米機器人與靶細胞接觸時,它打開DNA桶結構,運送它的裝載物。當用于健康的人血細胞和發生癌變的人血細胞的混合物中時,這種納米機器人能夠靶向殺死一半癌細胞,而健康的細胞不受到影響。

      活體動物體內的生物計算機

      鑒于DNA結構能夠起著開關的作用,能夠來回地從一個位置移動到另一個位置,因而它們能夠被用來執行邏輯運算,這就使得利用DNA進行計算機計算成為可能。來自美國哈佛大學和以色列巴伊蘭大學的研究人員利用這種性質構建出不同的能夠彼此之間相互作用的納米機器人,利用它們的DNA開關對不同的信號作出反應,和產生不同的信號[4]。

      更重要的是,研究人員將這些不同的納米機器人植入活的動物體內(在這項研究中,指的是蟑螂)。這允許他們開發出一種新類型的生物計算機而能夠通過開啟或關閉它們結構中的組分,控制治療分子在蟑螂體內運送。如今,利用這些DNA納米機器人開展的一項臨床試驗預計在人體內進行。

      捕光天線

      除了構建微型機器外,DNA也能夠為我們提供一種在納米水平上復制自然過程的方法。比如,大自然能夠利用光合作用將太陽光轉化為化學能而能夠捕獲來自太陽的能量,這些化學能是植物和其他生物的養料。如今,來自美國亞利桑那州立大學和加拿大英屬哥倫比亞大學的研究人員構建出能夠模擬光合作用捕獲和轉移光線的三臂DNA結構[5]。

      光合作用之所以在植物、某些細菌和藻類中發生是因為它們含有由大量色素組成的微型天線,其中這些色素按照特定的方向和彼此之前相隔一定距離排列,能夠吸收可見光。這些人工構建的基于DNA的結構起著類似于天線的作用,控制著吸收光能的特定染料分子在這種結構中的位置,并且將吸收的光能傳輸到反應中心,在那里將光能轉化為化學能。這項研究可能為利用DNA開發出能夠更加高效地使用最為豐富能源---太陽光—-供人類使用的設備鋪平道路。

      因此,DNA納米技術的下一個應用是什么呢?這很難知道,但是大自然已給我們提供一種功能非常強大的工具:DNA。如今,正是我們充分利用它的時候了。(生物谷 Bioon.com)

      本文系生物谷原創編譯整理,歡迎轉載!點擊 獲取授權更多資訊請下載生物谷APP.

      參考資料:

      [1].Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns.
      doi:10.1038/nature04586

      [2]. Programmable Quantitative DNA Nanothermometers.
      doi:10.1021/acs.nanolett.6b00156

      [3]. A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular Payloads
      doi:10.1126/science.1214081

      [4]. Universal computing by DNA origami robots in a living animal
      doi:10.1038/nnano.2014.58

      [5]. A DNA-Directed Light-Harvesting/Reaction Center System
      doi:10.1021/ja509018g

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