拿 DNA 來當建構材料!美研發新軟體 DNAiS 讓 DNA 可形成奈米級的 3D 物件

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美國杜克大學(Duke University)與亞利桑那州立大學(Arizona State University)的研究團隊聯手開發一新軟體,透過演算法可將線狀 DNA 分子設計成奈米大小的立體結構物件,此創新的研究成果近期發表於 Science Advances 期刊中。

利用 DNA 結構「建構」,可應用於分子傳遞、藥物運輸等多領域

DNA 有如生命的藍圖,所有遺傳指令皆搭載於其中,然而對於某些人來說,它可是建構的材料。

自 1980 年代以來,科學家就持續研究如何將 DNA 作為建構材料,目前可建構的模型為簡單的立方體、金字塔等,表面粗糙的幾何形狀。但要設計出曲面結構,則是讓科學家很頭痛的棘手挑戰。

來自亞利桑那州立大學的 Hao Yan 教授及其研究團隊指出,透過讓  DNA 形成彎曲的幾何結構,可能為分子傳遞、藥物運輸及奈米分子合成等多領域帶來革命性的影響。因此,該團隊針對 DNA 奈米結構開發出了前所未知的多層自動化設計工具,期望未來有機會可應用於醫學影像,甚至是成為金屬奈米顆粒的模具。

DNA 由四個鹼基所組成,分別為 A、T、C、G,在細胞中以 A 與 T 、C 與 G 的模式配對,形成階梯般的構造。研究團隊因此透過折疊數個長單鏈 DNA 及結合上百個短 DNA 鏈,再將其固定,設計出具有特定序列的 DNA 鏈,並對其進行編碼,以拼湊出不同的形狀。

DNA 所構成的「圓錐」、「葫蘆」與「三葉草」

研究團隊開發了名為 DNAxiS 的軟體,其可將 DNA 雙股螺旋盤繞成同心圓,再相互堆疊以形成特定形狀。而為增加其結構的穩定性,研究團隊還為額外其加裝一層 DNA。有趣的是,該軟體可透過演算法來確保短鏈 DNA 固定的位置,以確保長鏈 DNA 環能連接彼此,形成特定形狀。

DNAxiS 設計流程:透過輸入特定 3D 結構入軟體中,即可建構一以 DNA 組成的構造(圖片來源:Science Advances)

研究團隊指出,雖然此 DNA 結構設計軟體離實際應用還需要數年的光陰,但研究成果已是為 DNA 建構材料賣出一大步。

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參考資料:
1. https://today.duke.edu/2022/12/designing-dna
2. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade4455

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