MIT开发出用DNA做材料的纳米级3D打印技术

      近日，麻省理工学院（MIT）的生物工程师们开发出了一种新的计算机模型，该模型使他们能够设计出有史以来最为复杂的三维DNA形状，包括戒指、碗，以及二十面体的几何形状。 

      这种技术能够让研究人员根据需要制造出DNA支架来固定被称为载色体的蛋白质和感光分子阵列，该载色体主要用来模仿植物细胞中的光合作用蛋白；或创建新的药物运载工具，以及RNA疗法等，MIT生物工程助理教授Mark Bathe说。

      “总的想法是使用DNA在纳米尺度上立体地组织蛋白、载色体、RNA和纳米颗粒。将精确的纳米级控制用于3D结构正是这种方法独一无二的核心所在。”Bathe说。他是12月3日在《Nature Communications》上发表的关于这一技术论文的高级作者。

      该论文的第一作者是博士后Keyao Pan和前MIT博士后Do-Nyun Kim。Kim如今是韩国首尔国立大学的教师。论文的其他作者还有MIT研究生Matthew Adendorff和亚利桑那州立大学的Hao Yan教授和研究生Fei Zhang。 

      设计DNA的3D结构

      由于DNA十分稳定，并且可以很容易地通过改变其序列进行编程，许多科学家认为这是纳米级结构的一种理想的建筑材料。大约在2005年，科学家们开始使用一种被称为DNA折纸（DNA origami）技术的方法，用DNA制造一些微小的二维结构。所谓“DNA折纸技术”就是将天然DNA单链中的长链进行反复折叠，并用短链加以固定，由此就能绘出方形、星形等一系列DNA图形。这种做法后来被扩展到三维空间。 

      不过设计这些DNA形状十分繁琐和耗时，并且合成和用实验验证它们也相当昂贵、缓慢。因此，研究人员，包括Bathe在内，都需要开发计算机模型以辅助设计。2011年，Bathe和同事们就弄出了一个名为CANDO程序，可以生成3D结构的DNA，但它只能生成有限类型的形状。 

      在最新的论文中，Bathe和同事们开发的新的计算机算法，可以通过对DNA支架（DNA scaffold）和短链进行排序，预测任意编程的DNA组件的3D结构。通过该模型，他们能够创建出比以前更加复杂的结构。 

      新方法依赖于将DNA序列切开分离，形成一种子部件——多路连接（multi-way junctions），这是构建可编程的DNA纳米结构最基本的构建模块。这些连接与那些在DNA复制过程中自然形成的连接类似。 

      在把DNA切成这些更小的多路连接之后，Bathe的程序随后通过计算将它们重新组合成较大的编程组件，如戒指、光盘、球形的容器，当然，这些东西都是纳米级的。通过对这些DNA组件的序列进行编程，设计师们可以很容易地创建出任意复杂的结构，包括对称笼如四面体、八面体、十二面体等。

      “最重要的是我们认识到了可以切断这些DNA连接，然后根据计算机预测的3D结构重新组装它们。”Bathe说。“通过计算机预测其3-D结构是这中间的重中之重，只有这样我们才能实现不同的功能应用，因为生成3D结构的目的是为了实现功能，而不是单纯的DNA排序。”

      新的程序使得研究人员能够设计出比CANDO程序更多的3D结构，加州理工学院的资深研究员Paul Rothemund说。他并不是该研究团队的成员。 

      “由于DNA纳米技术领域内目前使用的分子大部分无法使用CANDO程序生成，因此Bathe他们的这一成果将非常受欢迎。”Rothemund说。

      近年来，“3d打印”成为持续升温的热门词汇，有海外专家预测这项快速成型技术将代表着工业制造业的发展新趋势，与其他数字化生产模式一起促成新的工业革命。速度快、高易用性是3d打印技术的优势，并且迅速地并应用于多个领域。随着3d打印技术的逐渐成熟，其跨越性发展指日可待。将在广州中国进出口商品交易会展馆盛大召开的2015广州国际3d打印展将展出最先进和最专业的3d打印技术和解决方案，供业界人士共同探讨快速成型制造服务如何提高产能等专业问题，是业界人士交流合作的最佳商贸平台。这次展会由广州光亚法兰克福展览公司主办，具体展出时间是2015年9月15-17日，参展咨询热线：020-38251558。