DNA砖
DNA砖是一种计算机建模方法,用于从简单的组件创建复杂的3D形状。它们是乐高积木多肽这使得化学家和工程师能够设计新的分子和设备。最终产品具有明确的形状和晶体结构,工程师可以在开始任何物理实验之前对其进行设计和改进。
DNA砖利用生物分子的自组装特性来创造形状和动态系统,这是传统合成化学无法实现的。该技术的发明者将其描述为“一种简单、模块化、健壮的框架,用于将短链组装成复杂结构。”[1]
使用DNA设计自组装分子的老方法,DNA砖的工作原理相同,同时试图扩展可以合成的结构类型,使这个过程更容易,更容易实现。
DNA折纸
DNA折纸是一种更成熟的组装2D和3D形状的技术,其许多目标与DNA积木相同。DNA折纸已被用于制作各种静态形状,包括格子、丝带和隧道。此外,动态系统像电路开关已经开发出来了。
虽然DNA折纸对于设计复杂结构是有效的,但每种形状的基础都是一长串DNA,称为支架。然后,数百条较短的DNA链被添加到支架上,形成最终产品。通常,每种设计都需要一个独特的支架。脚手架的单个部件不能被移除以细化结构。
DNA砖设计
每块砖代表一个砖DNA由32个核苷酸以独特的方式排列而成的链。该链进一步分为四个结构域,每个结构域包含8个核苷酸。这32个核苷酸片段可以可视化为一个乐高积木,两个针代表头部结构域,两个孔代表尾部结构域。大头针和孔的形状不同,因此只有当DNA链互补时,一块砖的大头针才能插入另一块砖的孔中。
如果上述两个结构域的碱基对匹配,那么这些砖就会成直角连接。每个结构域都是一个体素(相当于一个像素的体积),因此可以在3D分子画布上构建复杂的形状,然后使用算法来确定哪些DNA砖会自组装成所需的结构。
为了防止砖形成意外的连接,模型包括保护砖和边界砖。这种保护砖包含一串8个胸腺嘧啶,使得那个针或洞不可能连接到其他砖上。边界砖沿着完成形状的外部放置。它们是半块砖,每个砖包含16个核苷酸,这可以防止任何碎片附着在最终形状的既定参数之外。
每个DNA砖都可以独立添加或移除,从而可以对结构进行微调,创造出比DNA折纸更复杂的几何产品。DNA砖的发明者通过制作固体、封闭腔和开放腔的微观形状来测试他们的系统。其中包括字母表中的字母、阿拉伯数字、表情符号脸、心形和掷骰子。在发表他们的技术之前,他们测试了100多种不同的形状。
DNA砖的应用
虽然微小的字母和爱心可能没有什么实际价值,但DNA砖可以为许多新的医疗技术做出贡献,包括开发药物输送系统,改进生物成像,以及理解或修改细胞信号通路。
DNA砖还可以与DNA折纸的长支架结合使用,使工程师能够利用长核苷酸链的稳定性和模块化砖所能提供的精细细节。潜在地,这两种技术可以一起使用,以创造更复杂和更坚固的分子。
模块的模块化还为构建建模系统提供了机会聚合物除了DNA的自然形态,比如核糖核酸或含有合成核苷酸或修饰主干的DNA。最终,研究人员可以设计出具有生化特性的形状,使分子能够在复杂的环境中存活并发挥作用,比如在人体内部。例如,经过工程改造的分子可能不会被降解DNA的酶分解,从而使基于其中一种分子的药物在体内保持更长时间的活性。
这些设计分子也可能有助于减少药物的不良影响。生物技术是药物开发中增长最快的领域单克隆抗体,疫苗,激素,酶它们的作用越来越大。任何大蛋白都有可能引起过敏反应或不太严重的免疫系统突发反应,但如果可以微调药物以降低其免疫原性,更多的患者可能能够耐受它。
参考文献
[1] Ke, Y。,Ong L . L。施,w . M。&阴,p(2012)。DNA砖自组装的三维结构。《科学》杂志,338(6111),10.1126/ Science .1227268。http://doi.org/10.1126/science.1227268 2016年1月27日从http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3843647/检索
[2]图片来自https://commons.wikimedia.org/wiki/File:DNA折纸png在知识共享许可下用于重用和修改。