DNA折纸是一种通过编程DNA分子的自组装来制造精确纳米级结构的强有力方法。本文描述了如何利用DNA折纸技术设计一种能够感知生物信号并响应性地发生形状变化，进而实现特定效应的纳米机器人。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
核酸具有惊人的多功能性。除了作为生物信息存储介质的天然功能1，它们还可用于并行计算2,3，识别并结合分子或细胞靶标4,5，催化化学反应6,7，并在生物系统中产生可计算的响应8,9。重要的是，核酸可被编程使其自组装形成二维（2D）和三维（3D）结构10-12，从而将上述所有卓越特性整合到单一的纳米机器人中，实现对生物信号的感知并触发预设的响应，以达到期望的生物学效应。
利用核酸构建形状最初由 Seeman 提出13，此后已通过多种技术实现了该构想的若干变体11,12,14,15。然而，其中最具意义的或许是 Rothemund 提出的方法，称为支架式 DNA 折纸术16。在该技术中，一条长的（>7,000 个碱基）单链 DNA“支架”在数百条短的互补链（称为“订书钉”）的引导下折叠成目标形状。折叠过程通过温度退火程序完成。该技术已成功用于创建多种二维结构，具有极高的精确性和稳定性。随后，DNA 折纸术也被拓展至三维结构17,18。
本文将重点介绍 Douglas 及其同事开发的 caDNAno 2.0 软件19。caDNAno 是一种功能强大且用户友好的计算机辅助设计（CAD）工具，能够实现具有多种功能的二维和三维 DNA 折纸结构的设计。该设计过程依赖于一套系统且精确的 DNA 结构抽象方案，使其相对简单高效。
本文中，我们展示了最近描述的一种DNA折纸纳米机器人（nanorobot）的设计20。该机器人之所以称为“机器人”，是因为它将感知与驱动功能相连接，以执行特定任务。我们解释了如何将多种感知机制整合到该结构中，以及如何将感知信号传递以产生预期效应。最后，我们使用Cando21对所设计结构的力学性能进行模拟。本文讨论的概念可适用于多种任务和应用场景。
方案
本文中我们将设计一种机器人，它能响应蛋白质P，使货物C可与选定靶细胞表面的受体结合。图1展示了该机器人。C可以是受体阻断药物、生长因子等，且必须存在一种化学方法将其连接至DNA寡核苷酸，同时不破坏其功能。该机器人具有两种状态：在非活性状态下，两个外部“唇”结构上的DNA门处于杂交状态，确保机器人保持闭合，从而将其内部装载的任何货物安全地封闭其中；当存在蛋白质P时，门可通过多种机制（如下所述）中的任意一种打开，使机器人开启并暴露货物。在设计结构时需考虑，机器人在闭合状态下必须具有足够的柔性以实现自我闭合，并在门打开时能够弹开至开放状态。对整合了热力学与力学组分的DNA结构进行行为建模较为困难，实际构建的结构可能需要经过若干轮迭代优化。尽管如此，本文仍聚焦于基于一个通用的工作模型进行设计过程，该模型可作为进一步研究的基础。
注意：
为了更全面地理解DNA折纸设计与折叠过程，我们强烈推荐阅读Douglas及其同事撰写的原始caDNAno论文19，该论文详细解释了设计界面中DNA的抽象表示方式，以及这种表示如何对应三维DNA结构的实际分子构型。该论文还附有两段视频教程，以非常清晰的方式介绍了caDNAno的表示方法和操作界面。此外，我们还建议阅读Dietz及其同事近期发表的论....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
图1-25 是 caDNAno 2.0 界面的截图，逐步展示了设计过程。首先勾勒出结构的横截面 （图3），随后自动添加支架链片段并完成整个支架链路径的构建 （图7）。接着，自动添加订书钉链 （图12），并根据用户自定义参数将其打断 （图14），再通过手动编辑使订书钉链适应器件的预期功能 （图15-18）。图23-24 描述了如何添加和编辑负载位点与门控链。最后，图27 展示了本设计模型的透射电子显微镜（TEM）图像。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
DNA折纸技术使我们能够在纳米尺度上精确制造具有任意特征的结构。下一步的重要进展是将功能整合到这些设计中。尽管该技术可应用于诸多领域并应对多种挑战，但人们尤其关注利用DNA折纸技术制造治疗性和科研用的纳米机器人，因为DNA本身所处的天然环境正适合此类应用。DNA在细胞中原本就作为遗传信息的存储介质，与分子机器相互作用。有趣的是，在纳米机器人或其他装置中折叠的DNA除了作为结构材料外，仍可充当遗传信息载体；当纳米机器人解体后，这些遗传信息可被传递并用于表达特定蛋白质，作为一系列输出反应中的组成部分。
在本文讨论的示例中，我们使用限制性内切酶来操控机器人。然而，DNA机器人响应输入信号的其他机制还包括以下几种。
分子识别：我们最近展示了基于适体门控的DNA机器人，可识别靶细胞表面的蛋白质分子20. 可筛选出适配体 体外 使用SELEX等方法23，从公司外包获得，或从适配体数据库中使用（
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者谨此感谢 S. Douglas 提供的极为宝贵的讨论和建议，以及巴伊兰大学生命科学学院和纳米技术与先进材料研究所巴切莱特实验室所有成员的有益讨论和工作支持。本工作得到了巴伊兰大学生命科学学院及纳米技术与先进材料研究所资助项目的资助。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Autodesk Maya 2012 | Autodesk | 需先创建学生/学术账户（参见 http://cadnano.org 中的平台特定说明） | |
| caDNAno 2.0（软件） | （开源） | 用于设计DNA折纸结构的软件 http://cadnano.org | |
| Cando（网页） | （开源） | 运行DNA折纸形状模拟器的网页 http://cando-dna-origami.org |
参考文献
- Watson, J. D., Crick, F. H. Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature. 171, 964-967 (1953).
- Adleman, L. M. Molecular computation of solutions to combinatorial problems. Science. 266, 1021-1024 (1994).
- Qian, L., Winfree, E., Bruck, J. ....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
