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研究人员使用DNA结构性能来产生纳米级模型

发表时间:2021-06-12 00:55

  Vincent van Gogh的“星月亮”是印象后艺术的经典。自从这位荷兰艺术家在1889年创造了“明星月亮之夜”,这幅画中的那些异想天开的漩涡制造艺术爱好者。2016年,ashwingopinath, 一个生物工程师, 加州理工学院, 重建了这项工作。但,他使用DNA而不是墨水绘制绘画的副本。

  Gopinath的创作是在硅上绘制的,材料科学的分支一次是非常灌注的 - DNA纳米技术正在上升。该字段出现在20世纪90年代。然后,科学家开始设计纳米机器。现在,300多个研究团队正在尝试利用DNA碱基对属性。它旨在将分子视为建筑材料的载体而不是遗传信息。

  基于DNA重现van Gogh“星月亮之夜”

  “一旦我们开始意识到您可以在DNA中建立具有信息的对象。打开了一系列创意活动。“NedSeeman, Nedseeman, 通常被认为是来自纽约大学合成化学家的DNA纳米技术。

  建筑策略

  在细胞分裂期间,DNA形成称为Holidi键的四链中间体。这种结构不稳定,它将迅速解决双链螺旋。在20世纪80年代初期,通过将每个链条配对交叉口的每个链互相成对。成功允许这种结构保持稳定。他继续创造6个链条的交叉点,从而, 形成第一3D形式的分支DNA。一系列更复杂的设计来源:1991年是树枝状立方体,1998年, 它是分支的DNA晶体。2005年是DNA管道。

  2004年,一个生物化学师威廉斯, 已在哈佛大学华兹生物启发工程中担任, 使用了不同的方法。他只使用单链DNA,形成22 nm宽的Octa。这个1669个碱基的DNA链,使用5个碱基维持具有30个碱基的DNA链的形状。

  基于这个想法,两年后,Rothemund利用数百种带有26?32个碱基的DNA片段,将7000个碱基对折叠成具有约100纳米的各种直径的2D形状。DNA科学家彭寅, 也担任西方研究所, 说这是“里程碑成就”,因为它大大提高了DNA纳米结构的复杂性和大小。

  几年过后,Markbathe领导的团队, 马萨诸塞州理工学院的团队负责人, 被称为Cando。通过检查Cadnano软件程序构建的DNA折纸蓝图。“它会告诉你你在3D形式下看起来像什么。“洗澡说。此后,他领导的团队还开发了一个名为DaedaLus的工具。只需输入所需的几何形状,它可以将用户告诉用户所有序列,包括DNA括号。

  另一种方法是利用DNA“砖”。2012年,SHIH实验室永港博士的博士后研究员发明了一种技术。DNA纳米结构的每个“砖”具有32或42个碱基的独特序列。每个序列的1/4在另一个“砖”上的1/4序列互补。通过连接和扩展这些“砖块”,研究人员可以组装像砖墙一样的画布。

  纳米制造应用

  这些新型DNA形状的一种使用是携带药物分子等材料, 金属纳米粒子, 和蛋白质。在配置DNA之前,放置这些有用的材料通常是最容易的DNA。rothemund介绍,“货物”通常在铰链DNA上装载,同时, 由于每个结构可包括大约200个铰链DNA,因此因此,它们提供了足够的机会来准确地放置分子“商品”。

  DNA分子有充电。这意味着电子束可用于蚀刻平坦表面上的带负电的绑定站点模式。这允许纳米结构布置在静电的作用下。这正是rothemund团队在重建“明星月亮夜”时重建的东西,用致密的光子晶体腔阵列 - 光可以产生谐振微尺寸设备,它含有携带染料并小心放置的DNA纳米结构。

  另一种思想是使用DNA纳米结构作为模具浇铸纳米颗粒。这需要具有相当大且强的DNA纳米结构,其中具有内部孔隙。与沐浴团队合作,由yin带领的组使用DNA“砖”来构建这种结构。随后,团队成员将银纳米粒子引入毛孔,并使它在溶解的银色存在下成长。就像在过饱和溶液中的冰糖生长一样。这些种子继续生长,填充毛孔,终于产生了立方体, 球形, 三角形和Y形纳米粒子。

  西北大学化学家Chadmirkin正在追求另一个名为“可编程原子等同物”的纳米策略。这些纳米粒子芯可以是金属, 聚合物, 和蛋白质。数百个部分是附着在颗粒核表面上的双链DNA分子,形成致密的DNA壳。单链自由端的自由端是互补的。当这些结构混合在一起时,它们连接并延伸成格子,该格子将其在空间中精确放置的原子。“这是一种非常可靠的方法。“米莱金说。

  药物纳米工厂

  纳米结构DNA的普遍装饰是称为荧光分子的发光材料。E.G,Gattaquantdna纳米技术公司位于Brun Rick, 德国使用DNA折纸结构和荧光分子来制造纳米规则,验证超高分辨率显微镜。这种显微镜使研究人员能够破坏光衍射设置的分辨率限制以捕获图像。但,Gattaquant的研发领导者MaxscheiBlethere目前没有测量系统分辨率的标准。“DNA纳米技术使其成为可能。“

  在精确距离在荧光分子的精确距离中连接到纳米结构。并将它们安装在玻璃载玻片上。这些纳米级遗址使研究人员能够验证小于光波前极限的显微镜的分辨率。

  剑桥市最初公司的共同创始人, 马萨诸塞州, 希望使用纳米结构来影响癌症研究。在癌症组织中,BRCA1等生物学标记, Her2蛋白可以表明疾病的攻击或恶化,潜在辅助诊断, 预后, 和治疗。

  在Ultivue总部,Maness De显示了该公司的技术。计算机显示器由Maness照亮, 放置在显微镜下的细胞。当他将显微镜的光线变成红色时,细胞消失了。他们的位置出现的一些亮点是什么。表示称为T细胞的免疫细胞的生物标志物 - CD3。这些蛋白质标有Ultivue, 基于基于DNA的成像探针:抗体附着短的“铆钉”链,其互补的“成像”链带有荧光染料。每个生物标记都有自己的“铆钉”链,每次添加时都可以添加和移除互补的“成像”链。随后,图像叠加,从而, 获得肺组织的合成图像。Manesse说,这使得研究的生物学标记数几乎是不合理的。仍可保存组织示例。

  DNA纳米结构也可用于构建治疗或诊断传感器, 药物和疫苗。E.G,研究人员促进抗原链霉抗生物素蛋白和寡核苷酸与四面体DNA纳米结构,以促进与胞嘧啶 - 鸟嘌呤规范的免疫应答,生产的合成疫苗。在小鼠的研究中,并且只有链霉蛋白和寡核苷酸的混合物,该疫苗产生更高水平的抗链霉抗生物素蛋白抗体。

  最后,Shih希望制作药物纳米工厂:DNA折纸纳米腐植物可以生产,需要生产体内的药物。“目前,这仍处于探索性研究阶段。“Shih说。理论上,纳米胶囊可含有RNA聚合酶和DNA模板。一旦触发,它将开始生产和释放负载,就像使用细胞材料用于自我复制病毒。

  资料来源:科学网络使用DNA再现van Gogh“Star Moon Night”的作品使用DNA再现van Gogh“Star Moon Night”作品“明星月亮之夜”

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