任何人都能做的DNA设计

麻省理工学院和亚利桑那州立大学的研究人员设计了一个计算机程序，允许用户将任何自由形式的图形转换为由DNA组成的二维纳米结构。

到目前为止，这种结构的设计需要技术专长，这使得大多数人无法实现这一过程。使用这个新程序，任何人都可以为细胞生物学、光子学、量子传感、计算和其他应用创建任何形状的DNA纳米结构。

麻省理工学院生物工程副教授、该研究的高级作者马克巴特(Mark Bart)表示，“这项工作的作用是允许任何人从字面上绘制任何二维形状，并自动将其转换为DNA折纸。”

研究人员将他们的发现发表在1月4日的《科学进展》杂志上，这是一个名为PERDIX的程序，可以在网上获得。这篇论文的主要作者是麻省理工学院博士后Hyungmin Jun和亚利桑那州立大学助理研究教授张飞。其他作者是麻省理工学院的研究助理泰森谢泼德，麻省理工学院最近的博士生萨库尔拉坦纳特，亚利桑那州立大学的助理研究科学家齐晓东和亚利桑那州立大学的教授严昊。

自动化设计

DNA折纸是将DNA折叠成微小结构的科学。它起源于20世纪80年代初，当时纽约大学的Ned Seeman提出利用DNA的碱基配对能力来创造任意的分子排列。2006年，加州理工学院的Paul Rothemund创造了第一个支架型二维DNA结构。通过编织一个很长的单链DNA(支架)形状，被称为“主食”的DNA链与之杂交，帮助整个结构保持形状。

其他人后来使用类似的方法创造了复杂的三维DNA结构。然而，所有这些努力都需要复杂的人工设计来使支架穿过整个结构并产生短纤维束的序列。2016年，Bathe和他的同事开发了一种自动生成三维多面体DNA结构的方法。在这项新的研究中，他们开始自动设计任意二维DNA结构。

为了实现这一目标，他们开发了一种新的数学方法，用于将单股支架穿过整个结构，以形成正确的形状。由此产生的计算机程序可以采取任何自由形式的绘图，并将其转换为DNA序列，以创建形状并输入主链的序列。

你可以在任何计算机绘图程序中绘制形状，然后将其转换为计算机辅助设计(CAD)文件，并输入到DNA设计程序中。“一旦你有了这个文件，一切都是自动的，就像打印一样，但这里的墨水是DNA，”Bathe说。

序列生成后，用户可以命令它们轻松地做出指定的形状。在这篇文章中，研究人员创造了一些所有边缘都由两条DNA双链组成的形状，但它们也有一个工作程序，每个边缘可以使用六个双链，这更加严格。相应的三维多面体的软件工具，名为TALOS，已经在网上有售，即将发表在ACS Nano journal上。其形状的尺寸范围从10到100纳米，悬浮在缓冲溶液中可以保持稳定数周或数月。

“我们能够以非常简单的方式设计和制造这些产品，这有助于解决我们领域的主要瓶颈，”巴奇说。“现在，这个领域可以过渡到更广泛的工业和学术界，这样DNA结构就可以功能化，部署到各种应用中。”

纳米图案

由于研究人员可以精确控制合成DNA粒子的结构，因此可以在特定位置附着各种其他分子。这可以用于在纳米尺度模式下模拟抗原，以阐明免疫细胞如何被病毒和细菌上发现的特定抗原排列识别和激活。

“免疫细胞如何识别纳米级抗原模式是一个非常不为人知的免疫学领域，”Bathe说。“将抗原附着在结构化DNA的表面，以有组织的方式展示它们，是检测这种生物的一种强有力的方法。”

另一个关键应用是设计光捕获电路来模拟植物中的光合化合物。为了实现这一目标，研究人员正在将称为发色团的光敏染料附着到DNA支架上。除了采集光线，这些电路还可以用来进行量子传感和基本计算。巴奇说，如果成功，这将是第一个可以在室温下运行的量子计算电路。

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