科学家发明独特的模拟DNA3维结构的纳米管
2009-05-26 20:36:48   来源：   作者：  评论：0 点击：

科学日报（1月2号，2009年）—亚利桑那州立大学研究员Hao Yan和Yan Liu在一个几乎无法理解的小尺度上设想和装配了复杂的结构。他们采用的材料是双链DNA，一种能提供无限建造潜力的通用构建材料。
在2009年1月2号的《自然》杂志上，ASU化学和生物化学系生物设计院的研究员，Yan和Liu，首次揭示了DNA纳米管、DNA环、DNA螺旋的3维结构，每一个只有一根头发的直径千分之一大小。随后这些DNA纳米管和其它合成的纳米结构被应用于超微电子和生物药物的创新中。
Yan和Liu研究结构DNA纳米技术的快速扩增。通过重复《自然》guidebook上的一篇文章，他们充分利用了DNA分子的不寻常的自组装特性。当把带状单链DNA分子放在一起，它们按照4种化学碱基（A，T，G，C）简单的配对规则，就像维可牢拉链的齿一样相互扣紧。仅仅从这4个字母，大自然形成了令人费解的多样性。DNA通过在细胞内合成用特殊碱基序列编码的结构蛋白，完成了这个多样性的形成。这些蛋白是活细胞基本组成部分，它们形成了细胞壁，导管，组织和生物体。但是DNA自身也可以形成稳定的构造结构，而且可以人工诱导完成高级结构的形成。
在本研究中，Yan在自然界纳米尺度上颇具创造力：“单细胞生物，如海洋硅藻，”他指出，“包含自组装蛋白结构。”这些精致的生物实用性的不同的形式是有机材料和无机材料频繁的自组装的结果。
构造DNA纳米技术领域的科学家，包括Yan博士研究组，先前已经证实了DNA片段可以被诱导自组装，形成有用的纳米平板或者“纳米片”。这些纳米片通过碱基配对原则，就像七巧板-片段特异性，可以相互结合，形成较大的阵列。
在科学上Yan和Liu的工作是对纳米技术和材料科学的一个重要挑战的回应，这个挑战就是分子水平上3维结构的构造。为了完成这个，研究组使用容易在ssDNA上固定的金纳米颗粒，导致这些容易弯曲的纳米带阵列，从结合了纳米颗粒的地方，反向弯曲，形成环，或形成像弹簧一样的螺旋或嵌套环，直径大约在30nm到180nm之间。
强迫DNA反向弯曲的金纳米颗粒，产生了一种“空间位阻”的力，这个力的大小依赖于使用的纳米颗粒的的大小。使用这种力，Yan和Liu第一次展示了DNA纳米管可以高效率地特异的弯曲形成闭环。
当使用5nm的金颗粒时，中等的空间位阻力强制DNA带反向弯曲，与临近的互补的片段杂交结合，形成不同直径的螺旋和闭环。但是采用10nm的金纳米颗粒时，较大的空间位阻力，产生了更加强烈地弯曲，多数形成了闭合的管。Yan强调了纳米颗粒不仅仅作为直接的材料参与了自组装过程，而且也作为活化剂，诱导和指导了纳米管的形成。
在斯克里普斯研究所的Anchi Cheng和Jonanthan Brownell的帮助下，他们采用电子冷冻（electron cryotomography）成像技术，展示了第一幅DNA纳米管的3-D构象图。“在冰块中快速冰冻样品，”他描述这个实验过程，“这将保护这些结构的自然构象。”随后在不同的倾斜角度上的成像允许3-D纳米结构的重构，金纳米颗粒为可见的波纹结构提供了足够的电子密度。
接下来DNA纳米管将与碳纳米管连接，在分子水平上形成柔韧的、富有弹性的、可操作的结构。控制3-D构象可以它们在光度测定、光电学、触摸屏和可弯曲展示，以及生物药学的进展打下基础。
“通过自组装构建3维结构的能力是十分令人惊奇的，”Yan说，“这是一个巨大的平面（massively 是一个adv.，所以parallel是个adj.,感觉这里翻译成名词好一点），同时你可以生产很多的拷贝。”
Yan和Liu相信通过纳米颗粒控制纳米管的结构可以应用于设计细胞与细胞之间通讯的电子通道，或用于各种纳米电子设备的构造。