神奇的DNA納米技術(shù)

■ 樊春海 李江

納米制造

人類文明史也是一部加工制造技術(shù)的發(fā)展史。體現(xiàn)人類制造水平的標(biāo)志常被用于命名人類文明發(fā)展的不同階段，譬如“石器時(shí)代”、“青銅時(shí)代”、“鐵器時(shí)代”等。盡管可供人類利用的元素種類始終不會(huì)超越元素周期表，但隨著技術(shù)進(jìn)步，人類已經(jīng)用這些有限的元素制造出了近乎無(wú)限種類的材料，從外形不規(guī)則的粗糙石器演進(jìn)到每平方毫米上億晶體管的手機(jī)芯片。在這種豐富性的背后，有一條主線貫穿始終，那就是對(duì)于精度的追求。

今天，人類的加工制造精度已經(jīng)達(dá)到了納米（即10-9米）水平，并且正在向原子級(jí)的精度逼近。納米尺度之所以重要，是因?yàn)樵谶@個(gè)尺度的微觀結(jié)構(gòu)，往往決定了材料的很多宏觀性質(zhì)，例如機(jī)械強(qiáng)度、光電磁性質(zhì)、生物化學(xué)反應(yīng)活性等。即便同樣元素構(gòu)成的材料，也可以因?yàn)槲⒂^結(jié)構(gòu)的不同產(chǎn)生迥異的性質(zhì)。如果我們具備了精確定制納米結(jié)構(gòu)的能力，就可以生產(chǎn)各種具有強(qiáng)大功能的新材料，諸如抗污材料、高容量?jī)?chǔ)能材料、智能光電材料乃至納米機(jī)器人等等。這些材料在先進(jìn)制造業(yè)、能源、軍事、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用前景。

納米制造目前主要采用兩種不同的途徑：一種途徑是像雕刻這樣“自上而下”（Top-down）加工，從大塊的材料開始，通過(guò)外部工具將其縮小到所需的尺寸和形狀。這是納米制造的經(jīng)典模式，例如當(dāng)前受到高度重視的用于芯片制造的光刻工藝。這種路徑相對(duì)成熟，但從原理上看，它的精度是由外部工具決定的，在達(dá)到10納米的精度后想要繼續(xù)向下突破已非常困難。這些精密加工設(shè)備，例如深紫外光刻機(jī)，其本身的設(shè)計(jì)制造也極具挑戰(zhàn)，成為了我們的“卡脖子技術(shù)”。此外，因?yàn)橐惶坠ぞ咭淮沃荒芗庸ひ粔K材料，這種途徑的產(chǎn)能也是有限的，難以滿足全球日益增長(zhǎng)的需求。

相比之下，“自下而上”（Bottom-up）的制造方法，即利用分子自身的內(nèi)在信息來(lái)引導(dǎo)它們自組裝成精確的納米結(jié)構(gòu)，與自上而下的方法相比，更具有化學(xué)多樣性高、可大量平行合成、理論精度高的優(yōu)點(diǎn)。我們知道，化學(xué)反應(yīng)的分子計(jì)量單位是摩爾（～6×1023個(gè)分子），即便一毫升溶液中只有一皮摩爾（10-12摩爾，對(duì)于化學(xué)反應(yīng)而言是很小的量）分子，也相當(dāng)于有大約1012個(gè)組裝工作在同時(shí)進(jìn)行。依靠這種大規(guī)模平行生產(chǎn)的能力，自然界產(chǎn)生了很多可以達(dá)到原子級(jí)精度的精美結(jié)構(gòu)，包括遍布地球生物圈的各種高度有序的生命結(jié)構(gòu)。人工的化學(xué)自組裝也已經(jīng)可以產(chǎn)生許多對(duì)稱或具有周期性的精美結(jié)構(gòu)，例如各種人工晶體。然而，讓人工的分子自組裝產(chǎn)生像芯片甚至類生命體這樣復(fù)雜的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。2005年，《科學(xué)》雜志在創(chuàng)刊125周年之際，提出了當(dāng)今世界最具挑戰(zhàn)性的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題。其中之一便是“我們能推動(dòng)化學(xué)自組裝走多遠(yuǎn)？”。

DNA納米技術(shù)

誕生至今40年的DNA納米技術(shù)，可能為推動(dòng)納米制造提供有力的工具。脫氧核糖核酸（DNA）作為生命體最主要的遺傳物質(zhì)，編碼了包括人類在內(nèi)的絕大多數(shù)生物的遺傳信息。1868年，瑞士化學(xué)家米歇爾首次從膿細(xì)胞中分離出核素（nuclein），那一刻已經(jīng)預(yù)示著人類開始了探索生命最核心物質(zhì)的征程。1953年，得益于X射線晶體衍射技術(shù)的發(fā)展，人們得到了精確反映DNA結(jié)構(gòu)特征的圖片。當(dāng)時(shí)在劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室工作的沃森和克里克由此推測(cè)出DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，這個(gè)經(jīng)典DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)被譽(yù)為是當(dāng)代人類科技文明的標(biāo)志，就好像埃及金字塔、中國(guó)長(zhǎng)城是古代文明的見證一樣。自（Watson-Crick）雙螺旋模型提出以來(lái)，人們已經(jīng)逐漸理解了DNA作為遺傳信息載體的功能。DNA分子的A、T、C、G四種堿基可以精確互補(bǔ)配對(duì)，而生命體的遺傳信息就儲(chǔ)存于這四種堿基的排列所形成的編碼當(dāng)中。隨后的三四十年間，DNA的測(cè)序與合成技術(shù)日臻成熟，基因的切、連、轉(zhuǎn)、檢以及體外擴(kuò)增技術(shù)嶄露頭角，人類日漸讀懂了生命的密碼并開始書寫自己的篇章。

根據(jù)我們?cè)谥袑W(xué)課本上學(xué)到的“中心法則”，DNA分子作為信息載體將遺傳信息傳遞給RNA分子，再通過(guò)翻譯過(guò)程合成蛋白質(zhì)等生物分子。所以在傳統(tǒng)認(rèn)知中，生命體中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)主要是靠蛋白質(zhì)、糖類、脂類等“建筑材料”來(lái)完成，DNA僅僅是遺傳信息的存儲(chǔ)介質(zhì)。而當(dāng)時(shí)間進(jìn)入公元21世紀(jì)，伴隨著量子論的蓬勃發(fā)展和顯微術(shù)的不斷進(jìn)步，納米世界的大門悄然打開，此時(shí)人們突然發(fā)現(xiàn)，DNA也能作為一種納米尺度的材料，按程序化的設(shè)計(jì)構(gòu)筑出符合預(yù)期的、精確而優(yōu)美的納米結(jié)構(gòu)。這就產(chǎn)生了DNA納米技術(shù)。

DNA納米技術(shù)簡(jiǎn)史

DNA納米技術(shù)的基礎(chǔ)概念最早由美國(guó)紐約大學(xué)的Nadrian C.Seeman教授于1982年闡述1。作為一名晶體學(xué)家，Seeman當(dāng)時(shí)正在考慮如何用一種有效的方法獲得高質(zhì)量的蛋白質(zhì)晶體。據(jù)說(shuō)他受到了埃舍爾（M.C.Escher）的木刻畫《Depth》啟發(fā)。這幅畫中的飛魚的四個(gè)鰭與頭尾在上下左右前后六個(gè)正交方向上高度有序排列。Seeman想到，是否可以利用六分叉的DNA結(jié)構(gòu)創(chuàng)建一個(gè)三維的DNA晶格，為其他大分子確定空間位置與方向，從而幫助后者形成晶體。在當(dāng)時(shí)，除了線性的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)之外，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)自然界還存在具有分支的DNA結(jié)構(gòu)，包括復(fù)制叉和可移動(dòng)的霍利迪交叉（Holiday Junction），但是這些天然結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)固。Seeman認(rèn)為，可以通過(guò)合理的堿基序列設(shè)計(jì)消除分叉結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，制造節(jié)點(diǎn)位置固定的核酸分叉結(jié)構(gòu)，這樣理論上就可以組裝成結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的晶格。這種設(shè)想的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明也于次年發(fā)表2，從此打開了DNA納米技術(shù)這個(gè)新世界的大門。

Seeman教授設(shè)想的DNA三維框架·ACSNano 2020,14,1319.（版權(quán)許可：ACS）·Chem.Rev.2019,119,6459.（版權(quán)許可：ACS）

1991年，Seeman報(bào)道了利用多條DNA單鏈互補(bǔ)雜交組裝納米立方體（第一個(gè)人工合成的三維核酸納米結(jié)構(gòu)）的工作3，并因此獲得1995年費(fèi)曼納米技術(shù)獎(jiǎng)（Feynman Prize in Nanotechnology）。隨后，DNA四面體、DNA八面體等三維結(jié)構(gòu)也先后被合成出來(lái)。然而，這些多邊形結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)分叉角度是可變的，對(duì)構(gòu)造可延伸的三維晶格來(lái)說(shuō)不夠牢固。為此他又構(gòu)建了更為牢固的雙交叉形（DX），用這種結(jié)構(gòu)作為“磚塊”（tile）拼接出二維晶格4。2009年，在提出最初設(shè)想近30年后，Seeman的研究組終于利用DNA磚塊獲得了數(shù)百微米尺寸的三維晶體結(jié)構(gòu)5。2012年后，哈佛大學(xué)發(fā)展了一種DNA“單鏈磚塊”系統(tǒng)6，7，利用上百條單鏈DNA不同區(qū)域的雜交互補(bǔ)形成預(yù)定的結(jié)構(gòu)。他們?cè)诖嘶A(chǔ)上提出了分子畫布和分子樂(lè)高的概念，搭建出任意的二維與三維形狀，甚至建立了全套的三維ASCII字符和許多中文字符。

不同的DNA磚塊結(jié)構(gòu)、三維DNA晶體、多面體、以及像樂(lè)高積木一樣的DNA“單鏈磚塊”系統(tǒng)Nat.Chem.2017,9,1056.(版權(quán)許可：Springer Nature)

與磚塊拼貼的方式不同，2006年《自然》雜志的封面文章提出了一種被稱作DNA折紙術(shù)（DNA origami）的策略8，可以構(gòu)建出具有任意造型的穩(wěn)固納米結(jié)構(gòu)。這種方法是用許多短單鏈DNA配合，幫助一條數(shù)千堿基的長(zhǎng)單鏈DNA折疊成預(yù)先設(shè)計(jì)的圖案。與DNA磚塊拼裝的周期結(jié)構(gòu)不同，這種方法可以構(gòu)建更加復(fù)雜、具有限定邊界的DNA納米結(jié)構(gòu)。上海交通大學(xué)于同年利用DNA折紙術(shù)制作了納米尺度的中國(guó)地圖9，展示了DNA折紙術(shù)構(gòu)建非對(duì)稱圖案的強(qiáng)大能力。2009年，科學(xué)家利用多層折疊實(shí)現(xiàn)了三維DNA折紙術(shù)10。隨后，多種界面友好的DNA折紙?jiān)O(shè)計(jì)軟件陸續(xù)出現(xiàn)，大大降低了DNA折紙術(shù)的門檻，使得初學(xué)者也可以很快設(shè)計(jì)定制的折紙結(jié)構(gòu)，推動(dòng)了整個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展。

DNA折紙術(shù)構(gòu)建的二維圖案、納米尺度中國(guó)地圖與三維結(jié)構(gòu)·Chem.Rev.2019,119,6459.（版權(quán)許可：ACS）·ACSNano 2020,14,1319.（版權(quán)許可：ACS）Nat.Chem.2020,12,1067.（版權(quán)許可：Springer Nature

此后，DNA納米技術(shù)迎來(lái)了繁榮的發(fā)展，各種奇妙的結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，諸如莫比烏斯環(huán)11、有著復(fù)雜曲率的花瓶12、基于圖論設(shè)計(jì)的三維線框兔子13、完全沒(méi)有鏈交叉結(jié)構(gòu)的單鏈DNA折紙14等等。在這個(gè)歷程中，我們還見證了很多微觀結(jié)構(gòu)與藝術(shù)的有趣結(jié)合。例如，用DNA折紙拼圖致敬達(dá)芬奇的手稿《維特魯威人》15、把DNA折紙陣列當(dāng)成畫布繪制的尺寸不到1微米的《蒙娜麗莎》16、將DNA折紙與硅片刻蝕技術(shù)結(jié)合復(fù)刻的梵高的《星空》17等等。

除了這些靜態(tài)的結(jié)構(gòu)之外，DNA分子可以動(dòng)態(tài)變構(gòu)的特性還使得構(gòu)建精確可控的DNA納米機(jī)器成為可能。例如，可以在固定路徑上行走并且運(yùn)送貨物的DNA小人18，可以打開蓋子的DNA盒子19等等，啟發(fā)了之后的一系列將DNA納米結(jié)構(gòu)用于構(gòu)建納米機(jī)器人的研究。

DNA納米技術(shù)的應(yīng)用

在應(yīng)用方面，DNA納米技術(shù)的初心就是為蛋白質(zhì)這樣的功能材料提供框架模板。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，DNA納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以作為框架模板精確調(diào)控多種功能材料的空間排布，除了蛋白質(zhì)之外，還包括金屬顆粒、碳納米材料、礦物質(zhì)、高分子等。因此，我們提出了框架核酸的理念。基于框架核酸可以結(jié)合各種材料形成功能復(fù)合結(jié)構(gòu)，模擬自然界已有的許多精巧功能結(jié)構(gòu)，例如病毒顆粒20、細(xì)胞上的跨膜分子通道21、多孔的硅藻結(jié)構(gòu)22等等，為解釋和利用這些天然結(jié)構(gòu)提供納米級(jí)精度的研究模型。利用DNA納米技術(shù)設(shè)計(jì)任意結(jié)構(gòu)的能力，我們甚至可以制造自然界原本不存在的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生奇特的物理、化學(xué)與生物學(xué)性質(zhì)。近年來(lái)，研究者們開展了大量工作，展示了這些功能化的DNA納米結(jié)構(gòu)在納米光電子學(xué)、合成生物學(xué)、DNA存儲(chǔ)與計(jì)算、生物傳感、癌癥智能診療等領(lǐng)域的巨大潛力。

框架核酸結(jié)構(gòu)模仿自然界硅藻的微觀結(jié)構(gòu)Nature 2018,559,593.（版權(quán)許可：Springer Nature

例如，當(dāng)今人類在面對(duì)癌癥等多種重大疑難疾病時(shí)，傳統(tǒng)的藥物往往存在毒副作用高、容易產(chǎn)生耐藥性等亟需克服的缺點(diǎn)。為了改善這些藥物的性能，發(fā)展合適的藥物遞送系統(tǒng)就成為了當(dāng)前生物醫(yī)藥領(lǐng)域的迫切需求。因?yàn)槿梭w內(nèi)環(huán)境與疾病機(jī)制非常復(fù)雜，這就需要我們的藥物載體要像真正的醫(yī)生一樣，綜合多項(xiàng)診斷指標(biāo)進(jìn)行分析判斷，然后開出藥方。近年來(lái)，利用DNA納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建的納米診療機(jī)器人，就從原理上初步具備了這樣類似醫(yī)生的能力。這些機(jī)器人可以識(shí)別并定位到體內(nèi)的病灶區(qū)域（例如腫瘤），并且只有當(dāng)滿足多個(gè)條件之后才會(huì)釋放其裝載的藥物分子。這樣，納米機(jī)器人就相當(dāng)于“精確制導(dǎo)武器”，能夠讓藥物集中在病灶部位，降低其在其他正常部位的分布，在提高治療效果的同時(shí)也能減少藥物的整體用量，降低藥物對(duì)于正常組織的毒副作用以及機(jī)體產(chǎn)生耐藥性的幾率。

· DNA納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)診療中的應(yīng)用研究·Chem.Rev.2019,119,6459.（版權(quán)許可：ACS）·Nat.Biomed.Eng.2018,2,865.（版權(quán)許可：Springer Nature）·Nat.Commun.2019,10,1.（版權(quán)許可：Springer Nature）

DNA納米技術(shù)未來(lái)展望

在誕生四十年后，DNA納米技術(shù)將去向何方？在這一領(lǐng)域的科學(xué)家們給出了自己的設(shè)想。例如，目前想要獲得兼具納米級(jí)精度和更大尺寸（微米到毫米級(jí)別）的DNA結(jié)構(gòu)仍然具有挑戰(zhàn)性?？茖W(xué)家們正在努力發(fā)展各種新的手段用于填充這個(gè)從納米到毫米尺度的缺口，為DNA納米技術(shù)在光電子學(xué)（例如超材料）與合成生物學(xué)（例如人工細(xì)胞）中的應(yīng)用提供可能。理解人工設(shè)計(jì)的核酸結(jié)構(gòu)如何在活細(xì)胞和動(dòng)物體內(nèi)組裝并發(fā)揮作用，創(chuàng)造新的工具來(lái)控制活細(xì)胞內(nèi)的天然和人工核酸分子的組裝過(guò)程，將有可能為核酸化學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)革命性的變化，從而推動(dòng)納米診療和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展。更長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮的話，探索和發(fā)展具有人工智能的DNA機(jī)器人，并在動(dòng)物和人體內(nèi)工作23。我們相信，DNA納米技術(shù)將迎來(lái)更多的理論與技術(shù)創(chuàng)新，并且與其他學(xué)科交叉碰撞，在應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生新的突破。