微米和纳米科技材料

加州理工用DNA绘制蒙娜丽莎,700纳米大小的神秘微笑

12月7日,加州理工的华人博士钱露露带领团队用DNA绘制了一副蒙娜丽莎图像,长度为700纳米,突破了此前100纳米的最大结构。相关研究被发表在《自然》杂志上。

加州理工用DNA绘制蒙娜丽莎,700纳米大小的神秘微笑

不过研究人员作画的目的并不是放到卢浮宫展览,本质上这是把DNA当做材料,用来构建微小的图案或形状,应用领域相当广泛。例如制作一个微小的盒子,下图是丹麦胡斯大学在2009年设计的保险柜,基于DNA碱基配对规则,这个小箱子天生就带有密码锁,必须要基因匹配它才会打开。

加州理工用DNA绘制蒙娜丽莎,700纳米大小的神秘微笑

而这款小盒子就可以装上药物,密码设定成病毒的基因,只要一接触到病毒它就可以自动打开杀死病毒。这还只是DNA这种材料在靶向药物领域的一个应用。

这项技术的关键就在于DNA非常特别的构造,我们都知道DNA由A、T、G、C四种碱基构成,而这四种碱基遵循严格的两两配对原则。基于这个原则,如果把DNA用作建筑材料,它们就天生自带密码、并且还能自动组装。更厉害的是,核苷酸还能携带电流,如果按照电路一样的结构排列,还可以成为微小的计算机芯片。

这项大胆的想法最早在20世纪80年代纽约大学的Nadrian Seeman教授提出,而在近几年获得相当大的突破。例如我们上面讲的盒子,还有包括2006年加州理工制造的DNA表情。

加州理工用DNA绘制蒙娜丽莎,700纳米大小的神秘微笑

这个表情直径大小的为100纳米,包含7200个核苷酸。科学家们也一直想要制造更大的结构,更大的结构也就意味着应用领域更广泛。然而,技术难度也非常大,因为DNA链越长合成难度系数就越高,而且也越不稳定。

对此,钱露露的解决办法是一种数学原理,叫做”分形“,简单来说就是相同的规则在不同的尺度下重复出现,如血管的分支,或者雪花上的晶体。在构建过程中,研究团队则是先在不同的试管中组装简单的结构,然后结合在一起进行对称性和多层次的组装。

加州理工用DNA绘制蒙娜丽莎,700纳米大小的神秘微笑

最终,该团队的蒙娜丽莎的大小达到了700纳米,是此前的7倍,更重要的是技术上的突破。基于分形这种策略,未来甚至能够用DNA构建肉眼可见的东西。

这项研究的负责人钱露露于2002年获得东南大学生物学学士学位,此后进入上海交通大学攻读生物学博士学位。2007年毕业后她便进入加州理工从事博士后研究,主要研究领域为生物电路、DNA神经网络和分子机器人三大领域。

这项研究发表之后便登上了《自然》杂志的封面,除了蒙娜丽莎,团队还绘制了公鸡和细菌的图像。研究人员下一步是继续优化该技术,以构建更大的材料,用于电路、医学等领域。

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