DNA折纸纳米结构： 重塑病毒外壳形状 推动生物医学发展

DNA折纸纳米结构：重塑病毒外壳形状推动生物医学发展DNA折纸纳米结构（蓝色）可用于设计病毒颗粒（灰色）的形状。直径为28纳米的原生噬菌体显示为绿灰色。资料来源：MauriA.Kostiainen/阿尔托大学科研团队通过生成"结构化基因组"模板来组装囊壳蛋白，从而解决了这一难题。他们利用刚性DNA折纸结构来防止柔性基因组变形和形成不需要的形状。这些结构的尺寸很小，从几十纳米到几百纳米不等，但完全由DNA构成，并被精确地折叠成所需的模板形状。"我们的方法基于DNA纳米结构的负电荷与帽状蛋白的正电荷结构域之间的静电相互作用，以及单个蛋白之间的内在相互作用。通过改变蛋白质的用量，我们可以微调高度有序的蛋白质层的数量，从而将DNA折纸封装起来，"论文第一作者、阿尔托大学博士研究员伊里斯-塞茨（IrisSeitz）说。"通过使用DNA折纸作为模板，我们可以引导噬菌体蛋白形成用户定义的大小和形状，从而形成长度和直径都非常明确的组合体。通过测试各种DNA折纸结构，我们还了解了模板的几何形状对整个组装的影响，"Seitz补充说。"在低温电子显微镜成像技术的帮助下，我们能够观察到组装后高度有序的蛋白质，并由此测量出不同模板对组装几何形状产生的微小变化，"赫尔辛基大学的合作科学家JuhaHuiskonen教授解释说。"我们发现了一种简单而有效的策略，可以将帽状蛋白（重新）引导到所需的形状。这种方法适应性强，因此并不局限于单一的噬菌体蛋白类型，正如我们用四种不同病毒的噬菌体蛋白所证明的那样。此外，我们还可以调整我们的模板，使其更贴近应用，例如将RNA整合到折纸中，然后将其转化为有用的或特定位点的蛋白质，"该研究项目负责人阿尔托大学教授MauriKostiainen解释说。虽然DNA折纸结构是一种很有前途的生物系统接口材料，但它们存在不稳定性，尤其是在有DNA降解酶存在的情况下。"但在实验中，我们可以清楚地观察到，蛋白质层能有效保护封装的DNA纳米结构不被降解。"Kostiainen总结说："通过将保护与核酸折纸的功能特性相结合，包括将DNA或信使RNA与其他货物分子一起输送的可能性，我们相信我们的方法为生物医学工程提供了有趣的未来方向。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1372373.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1372373.htm

研究人员打造DNA折叠涡轮 直径仅为25纳米

研究人员打造DNA折叠涡轮直径仅为25纳米研究人员开发出一种DNA折叠纳米涡轮，它具有根据离子浓度改变旋转方向的独特能力。这一进展为未来在细胞水平上的药物输送提供了潜力，并强调了利用盐梯度能量的前景。图片来源：CeesDekker实验室/SciXel从风车到飞机，流动驱动的涡轮机是塑造我们社会的许多革命性机器的核心。甚至生命本身的基本过程也严重依赖涡轮机，例如为生物细胞产生燃料的FoF1-ATP合酶和推动细菌的细菌鞭毛马达。这种纳米涡轮机有一个直径为25纳米的转子，由DNA材料制成，叶片按右手或左手方向配置，以控制旋转方向。为了运转，这种结构要停靠在强大的水流中，水流受电场或盐浓度差的控制，从薄膜上的纳米孔（一个微小的开口）流出。我们用涡轮机驱动一根刚性杆，每秒可转10圈。DNA折叠纳米涡轮的旋转受离子浓度的影响，为先进的药物输送和利用盐梯度获取能量铺平了道路。图片来源：CeesDekker实验室/SciXel这项研究最引人入胜的发现之一是DNA折纸纳米涡轮旋转的独特性。它的行为受离子浓度的影响，根据溶液中Na+离子的浓度，同一个涡轮可以顺时针或逆时针旋转。这一纳米级领域独有的独特功能是离子、水和DNA之间错综复杂的相互作用的结果。这些发现得到了伊利诺伊大学AlekseiAksimentiev小组大量分子动力学模拟和哥廷根大学MPI研究所RaminGolestanian理论建模的严格支持，有望拓展纳米技术的视野，并提供大量应用。例如，未来我们也许可以利用DNA折纸制作纳米机器，将药物输送到人体内的特定类型细胞中。这项研究的负责人塞斯-德克尔（CeesDekker）介绍了他们的研究方法："我们与慕尼黑工业大学亨德里克-迪茨（HendrikDietz）实验室的合作者一起，利用以前在DNA旋转电机方面的研究成果，创造出了一种可以完全控制其设计和运行的涡轮机。DNA折纸技术利用互补DNA碱基对之间的特殊相互作用来构建动态三维纳米物体。这种设计可以通过叶片的手感控制涡轮在纳米孔中的旋转方向，并可将涡轮直接集成到其他纳米机器上。"这项研究成果是继去年推出DNA有源纳米转子之后的又一成果，DNA有源纳米转子是一种能够将电能或盐梯度转化为实际机械功的自配置装置。更多信息用DNA构建纳米级转子。研究人员已经揭示了利用纳米孔中的水和盐推动纳米级转子的基本原理。在合理设计的推动下，今年的突破标志着其工作进入了下一个阶段，为未来的仿生跨膜机器奠定了基础，并有可能利用盐梯度的能量，这是生物马达能够使用的重要能源。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393237.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393237.htm

DNA折叠纳米机器人可制造无限的自身副本

DNA折叠纳米机器人可制造无限的自身副本微型纳米机器人已经研制成功，它们可以抓住DNA的微小片段并将其组装成新的纳米机器--包括自身的副本来自纽约大学、宁波慈溪生物医学工程研究所和中国科学院的研究小组表示，这些机器人超越了以往只能将碎片组装成二维形状的机器人。新机器人能够使用"多轴精确折叠和定位"，"进入三维空间，获得更多自由度"。这些纳米机器人通常被视为制造药物、酶和其他化学物质的潜在方法，有可能在人体细胞内制造。但研究人员特别指出，这些机器可以"自我复制整个三维结构和功能"。仅由四股DNA构建的三维自我复制纳米机器人它们并不是完全独立的；这些机器人虽然是"可编程"的，但它们是在外部控制的温度和紫外线照射下行动的，它们需要紫外线来"焊接"它们正在组装在一起的DNA片段。在这一点上，人类与"灰色粘质"大启示之间的另一个障碍是，如果没有足够的所需精确DNA片段，它们就无法复制自己，甚至无法复制其他任何东西。尽管如此，这仍然是非常令人难以置信的事情，也让我们看到了未来以惊人速度向我们冲来的可能性。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1403011.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1403011.htm

研究人员拥玻璃涂层加固DNA 新材料强度是钢的4倍

研究人员拥玻璃涂层加固DNA新材料强度是钢的4倍虽然DNA因其密集的数据存储特性而闻名，但作为一种纳米级建筑材料，它也可以大有作为。它可以拉伸或皱缩，甚至可以自我组装成各种形状。另一方面，玻璃看似易碎，但其破碎倾向通常来自裂缝等缺陷--无瑕疵的玻璃可以坚固得令人难以置信。有趣的是，小块玻璃几乎总是完美无瑕的。新研究的研究人员正是利用了这一点。他们首先利用DNA进行编程，使其自我组装成格子状。然后将其涂在玻璃材料上，形成只有几百个原子厚的玻璃层。最终的结果是涂有玻璃的DNA细链，这种DNA细链在两种材料的支持下获得了强度，而且重量很轻，因为这些DNA细链形成了一个包围着大部分空隙的框架。上图：DNA如何自组装成晶格形状的示意图。下图：材料在不同放大倍数下的显微镜图像/康涅狄格大学科学家们在测试中发现，他们的玻璃DNA纳米晶格材料的抗压强度高达5千兆帕斯卡（GPa），这种强度是钢的四倍，但密度只有钢的五分之一。该研究的共同通讯作者Seok-WooLee说："在给定的密度下，我们的材料是已知强度最高的。"研究小组的下一步工作是对配方进行实验，包括尝试不同的DNA结构，以及将玻璃换成碳化物陶瓷等材料，看看能否使其更加坚固。该研究的共同通讯作者奥列格-刚（OlegGang）说："利用DNA创建设计好的三维框架纳米材料并使其矿化的能力，为工程力学性能带来了巨大的机遇。但在将其作为一项技术加以应用之前，我们仍需开展大量研究工作。"这项研究发表在《细胞报告物理科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1373147.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1373147.htm

由DNA和肽组成的自组装合成细胞超越了自然能力

由DNA和肽组成的自组装合成细胞超越了自然能力 新的合成细胞利用DNA和肽构建细胞骨架（用淡紫色标出）图/北卡罗来纳大学教堂山分校细胞的结构和稳定性来自细胞骨架，这是一个由蛋白质组成的交联框架，用于包裹和保护其他成分。根据细胞类型的不同，这种细胞骨架可以有不同程度的灵活性，并以不同的方式对环境做出反应，从而赋予细胞特异功能。在这项新研究中，北卡罗来纳大学教堂山分校的科学家们开发出了由DNA、肽和其他遗传物质组成的合成自组装细胞骨架。该研究的第一作者罗尼特-弗里曼说："DNA通常不会出现在细胞骨架中。我们对DNA序列进行了重新编程，使其成为一种建筑材料，将多肽结合在一起。一旦将这种编程材料放入水滴中，结构就会成形。"研究人员能够对DNA进行编程，使其以不同的方式组装，从而赋予合成细胞不同的功能。它们也没有被锁定在一个目的上--改变溶液的温度可以触发不同的配置。研究小组说，将不同的肽或DNA序列组合在一起，就能制造出更大规模的可编程组织。虽然它们没有活细胞那么复杂，但这些合成细胞更容易操作，而且能在天然细胞无法处理的条件下工作。弗里曼说："合成细胞即使在122°F（50°C）的温度下也能保持稳定，这为在通常不适合人类生存的环境中制造具有超常能力的细胞提供了可能。"研究小组表示，当这些可编程细胞与其他合成细胞技术相结合时，可用于再生医学、药物输送系统和诊断工具等应用。这项研究发表在《自然-化学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428536.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428536.htm

DNA支架上的量子棒可促进未来虚拟现实显示器的发展

DNA支架上的量子棒可促进未来虚拟现实显示器的发展量子点是一种微小的半导体颗粒，可以很容易地根据其大小调整成不同的颜色。市场上现在已经可以买到装有量子点的电视和显示器，据称它们可以提高色彩和画质。但量子棒是另一种鲜为人知的怪兽。顾名思义，它们仍然非常微小，但比它们的点状同类更加细长，这使它们不仅能控制发射光的颜色，还能控制偏振。这使得它们在生成3D图像时非常有用，可以制作出更生动的VR。将它们放大的问题在于，要让它们朝同一方向排列非常困难。因此，在新的研究中，麻省理工学院的团队研究了一种新型的支持系统。关键成分是什么？DNA。研究人员用DNA制作了重复菱形图案的折纸结构，并将量子棒粘贴在各个点上，使它们彼此至少保持10纳米的距离。这样，它们就都指向同一个方向，并防止它们的光线干扰相邻的光线。为了把量子棒粘在DNA上，研究人员开发了一种新的制造工艺，首先将DNA与量子棒一起乳化成混合物。然后迅速脱水，使DNA分子在量子棒外侧形成厚厚的一层，像尼龙搭扣一样连接到钻石支架上所需的点上。研究人员说，由于这一过程只需几分钟，因此与其他方法相比，这种技术更容易推广到商业系统中。下一步工作包括在DNA支架上制作量子棒晶片，这将有助于开启VR显示屏之外的新应用。研究报告的作者罗伯特-麦克法兰（RobertMacfarlane）说："我们在这篇论文中描述的方法非常好，因为它能很好地控制量子棒的空间和方向。下一步我们将制作更有层次感的阵列，在许多不同的长度尺度上形成程序化结构。控制这些量子棒阵列的尺寸、形状和位置的能力是通向各种不同电子应用的大门。"这项研究发表在《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377393.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377393.htm