DNA纳米折纸术,纳米机器人|颜颢|2018年度科技进步

DNA纳米折纸术是一种独特的自下而上构建DNA自组装纳米结构的方法。它是对DNA链进行折叠的一种技术。 作为一种精确高效的DNA自组装方法,DNA纳米折纸术可用于光学材料的精确可控制备、药物与基因靶向递送等诸多领域。

美国《科学》期刊将该工作与同性繁殖、液体活检、人工智能一起,评选为2018年度世界四大技术进步。被The Scientist评为“2018年度科技进步” 。

基本原理
DNA可以按需求被折叠、粘贴,与它独特的双螺旋结构、碱基互补原则直接相关。碱基互补可以是DNA单链找到互补链,进入组成目标的形状。
DNA纳米折纸术是以一条长单链DNA(通常是一条噬菌体的基因组DNA)为模板,在数百条短单链DNA(折叠链)的辅助下,通过核酸序列杂交形成预先设计的具有特定尺寸和形貌的二维或三维纳米结构。

设计流程
DNA纳米折纸术是分子自组装技术的一个典型范例,代表了人类借助自然进化的力量(DNA分子),实现了接近随心所欲的纳米尺度的3D打印。
1)通过程序化软件进行序列设计;
2)DNA混合进行退火杂交;
3)DNA功能化修饰和纯化等

应用案例
利用DNA纳米折纸术创建了多种结构,静止结构如二维和三维晶体结构、毫微管、多面体和其他造型;功能结构如纳米机器、DNA计算机、药物载体等。
DNA纳米折纸术在国内蓬勃发展,被广泛应用于纳米制造、纳电子和纳光子学、生物传感与纳米药物等领域。特别是在生物医药领域,DNA纳米折纸术更是提供了前所未有的精度来控制纳米药物的组装、控释和靶向。
丁宝全课题组此次的研究成果主要是利用DNA折纸结构为载体高效且可控地实现了化疗药物阿霉素和线性小发卡RNA转录模板的共传递,通过RNA干扰的机制,有效地下调多个肿瘤耐药相关蛋白的表达,完成了化疗和基因治疗的联合给药。
“小鼠活体实验结果表明,该类DNA纳米给药体系表现出非常好的肿瘤靶向性和生物相容性,能够对耐药性乳腺癌肿瘤模型产生显著的治疗效果。”丁宝全表示,该研究基于生物系统的天然核酸结构,实现了对肿瘤的协同治疗,扩展了基因治疗的研究思路和可应用的领域。
2018年2月,Nature Biotechnology的一篇文章中, 亚利桑那州立大学的颜颢等基于自组装的 DNA 折纸技术,构造了携带凝血酶的纳米机器人系统。当这些纳米机器人遇到肿瘤特异蛋白时,就会释放凝血酶,通过选择性地切断血液供应来“饿死”肿瘤。该技术已成功使小鼠的乳腺肿瘤缩小,通过合理设计携带各种药物的不同纳米机器人组合或将有助于癌症治疗。

技术难点
制备成本高、稳定性差。
钱璐璐团队开发了一款软件可以根据输入的图像设计一张DNA画布。画布由不同的DNA折纸组合而成,而每一块DNA折纸都需要精确设计。

相关阅读
折叠DNA有望精准制备纳米材料
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/11/419953.shtm
https://www.nature.com/articles/nbt.4071

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