世界上最小的DNA制成的井字游戏棋盘

过了蒙娜丽莎，下面来个井字游戏。

大约一年前，加州理工学院生物工程助理教授Lulu Qian实验室的科学家宣布，他们使用了一种称为DNA origami的技术来制作瓷砖，这种瓷砖可以被设计成自组装成更大的纳米结构，具有预先设计的图案。他们选择制作世界上最小版本的标志性的蒙娜丽莎。

这一壮举令人印象深刻，但这一技术的局限性类似于达芬奇的油画：图像一旦创建，就不能轻易更改。

现在，加州理工学院的团队通过这项技术实现了又一次飞跃。他们创造了更有活力的新瓷砖，使研究人员能够重塑已经建立的DNA结构。当加州理工学院的Paul Rothemund(BS '94)在十多年前开始DNA折纸时，他就用这种技术来塑造笑脸。钱的团队现在可以把微笑变成皱眉，然后，如果他们愿意，把皱眉颠倒过来。他们更进一步，制作了一个微观的井字游戏，玩家通过在棋盘上添加特殊的DNA补丁来放置他们的X和O。

“我们开发了一种机制，对复杂的DNA纳米结构之间的动态相互作用进行编程，”钱说。“利用这种机制，我们创造了世界上最小的玩井字游戏的游戏板，其中每一步都涉及分子自我重建，可以同时交换数百条DNA链。”

把碎片拼在一起。

这种交换机制结合了两种以前开发的DNA纳米技术。它使用了一个积木和另一个概念：自我组装的瓷砖，用来制作微小的蒙娜丽莎；钱的研究小组已经用这笔钱制造了DNA机器人。

这两种技术都利用了DNA通过分子排列进行编程的能力。每条DNA链由一个骨架和四个称为碱基的分子组成。这些碱基——腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶，缩写为A、T、C和G——可以按任何顺序排列，顺序代表细胞可以使用的信息，或者在这种情况下，通过工程纳米机器。

可用于构建纳米结构的DNA的第二个特征是，A、T、C和G碱基具有与它们的对应物配对的自然倾向。a碱基与T配对，C与g配对，推而广之，任何碱基序列都有望与互补序列配对。比如ATTAGCA会和TAATCGT配对。

然而，序列也可以与部分匹配的序列配对。如果将ATTAGCA和TAATACC放在一起，它们的ATTA和TAAT部分将配对，不匹配的部分将从两端悬挂。两条链越是互补，就越是相互吸引，结合得越牢固。

想象一下，钢绞线的位移会发生什么。想象两个人正在约会，并且有一些共同之处。艾米喜欢狗，徒步旅行，看电影和去海滩。亚当喜欢狗、徒步旅行和品酒。他们对狗和徒步旅行的共同兴趣结合在一起。然后另一个人出现了。埃迪碰巧喜欢狗、徒步旅行、电影和保龄球。艾米意识到她和埃迪有三个共同点，而和亚当只有两个共同点。艾米和埃迪发现他们彼此强烈吸引，亚当被甩了——就像一个被替换的DNA链。

埃迪和艾米有更多的共同点，他们的关系更加牢固。艾米把埃迪留在了DNA链置换组。

其他技术，自我组装瓷砖，更容易解释。基本上，虽然所有的瓷砖都是方形的，但它们的设计行为类似于拼图游戏。每个瓷砖在组合的图片中都有自己的位置，而且只适合那个位置。

在创造他们的新技术时，钱的团队给自组装瓷砖注入了位移能力。因此，瓷砖可以在结构中找到它们的指定点，然后踢出已经占据该位置的瓷砖。虽然埃迪只是和一个人结合，导致另一个人被踢到路边，但瓦更像是一个被收养的孩子。他们与新家庭的联系如此紧密，以至于他们称自己的“最爱”是远离亲生子女。

“在这项工作中，我们发明了瓷砖置换的机制，它遵循链置换的抽象原理，但在DNA折纸结构之间以更大的比例发生，”钱的前研究生菲利普彼得森(Philip Petersen，18岁)说，他是主要作者。“这是第一个可以用来在多个相互作用的DNA折纸结构系统中编程动态行为的机制。”

我们玩吧。

为了开始这个井字游戏，钱的团队在试管中混合了空白瓷砖的溶液。一旦电路板自组装完成，玩家将轮流添加X瓦片或O瓦片。因为它们是由可编程的DNA制成的，所以瓷砖被设计成滑动到棋盘上的特定位置，取代那里的空白瓷砖。例如，X牌可以设计为仅滑入棋盘的左下角。玩家可以通过使用为他们想要的地方设计的瓷砖，在他们想要的任何空白位置放置X或O。经过六天的游戏，玩家X赢了。

高级博士后学者格里戈里蒂霍米罗夫(Grigory Tikhomirov)说，显然，没有父母会急于给孩子买一个需要花近一周时间才能玩的井字游戏，但地下运动真的不是重点。这项研究的作者。我们的目标是利用这项技术开发纳米机器，这种机器可以在制造出来后进行修改或修复。

“当你的轮胎瘪了，你可能只是更换它，而不是买一辆新车。对于纳米机器，这种人工维护是不可能的，”他说。“然而，通过我们发现的瓦片替换过程，我们可以替换和升级工程纳米级机器的许多部件，使其更加高效和复杂。”

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