自动化DNA折纸为许多新用途打开了大门

研究人员可以使用DNA链构建几乎任何形状和形式的复杂纳米级结构。但是这些颗粒必须在复杂而费力的过程中手工设计。这种技术被称为DNA折纸，仅限于该领域的一小部分专家。现在麻省理工学院和其他地方的一个研究小组已经开发出一种可以自动构建这些DNA纳米粒子的算法。

通过这种方式，该算法与本周期刊“ 科学 ”杂志中的一种新型合成方法一起报告，可以使该技术用于开发纳米​​粒子，用于更广泛的应用，包括疫苗支架，基因编辑工具载体，以及档案记忆存储。不同于传统的DNA折纸，其中结构是手工建立的，算法从对象最终形状的简单三维几何表示开始，然后决定如何从DNA组装，根据马克麻省理工学院生物工程副教授Bathe领导了这项研究。

“该论文将问题转变为专家设计合成物体所需的DNA，以及物体本身为起点的物质，以及算法自动定义所需的DNA序列，”Bathe说。 。“我们希望这种自动化能够显着扩大其他人对这种强大的分子设计范式的参与。”该算法首先将对象表示为其表面的完美平滑，连续的轮廓。然后它将表面打破成一系列多边形。

接下来，它将一条长长的单链DNA(称为支架)作为一条线，在整个结构中将其固定在一起。Bathe说，该算法在一个快速有效的步骤中编织脚手架，可用于任何形状的三维物体。“[步骤]是算法的一个强大部分，因为它不需要任何手动或人工界面，并且保证可以非常有效地为任何三维物体工作，”他说。

该算法被称为DAEDALUS(用户定义结构的DNA折纸序列设计算法)，希腊工匠和艺术家设计了类似折纸的复杂脚手架结构的迷宫，可以构建任何类型的三维形状，前提是它具有封闭的表面。这可以包括具有一个或多个孔的形状，例如圆环。

相比之下，去年发表在“ 自然 ”杂志上的先前算法只能设计和建造球形物体的表面，甚至还需要人工干预。

该团队在设计和合成DNA纳米粒子方面的策略也通过Bathe的合作者，贝勒医学院的Wah Chiu使用三维冷冻电子显微镜重建进行了验证。

研究人员正在研究DAEDALUS算法构建的DNA纳米粒子的许多应用。一种这样的应用是用作病毒肽和蛋白质的支架用作疫苗。

可以使用位于结构上任何所需位置的肽和蛋白质的任何组合来设计纳米颗粒的表面，以模拟病毒在身体免疫系统中出现的方式。

研究人员证明，DNA纳米粒子在血清中稳定超过6小时，现在正试图进一步提高其稳定性。

纳米颗粒还可用于包封CRISPR-Cas9基因编辑工具。由于其编辑靶基因的能力，CRISPR-Cas9工具在治疗方面具有巨大潜力。然而，Bathe说，非常需要开发包装工具并将其输送到体内特定细胞的技术。

目前这是使用病毒完成的，但这些病毒的包装尺寸有限，限制了它们的使用。相比之下，DNA纳米粒子能够携带更大的基因包，并且可以容易地配备有助于靶向正确细胞或组织的分子。

该团队还在研究纳米粒子作为DNA记忆块的用途。先前的研究表明，信息可以存储在DNA中，与用于以数字方式存储数据的0和1类似。要存储的信息是使用DNA合成“书写”的，然后可以使用DNA测序技术回读。

使用DNA纳米粒子可以使这些信息以结构化和受保护的方式存储，每个粒子类似于书籍的页面或章节。回想起一个特定的章节或书籍就像阅读纳米粒子的身份一样简单，就像使用图书馆索引卡一样，Bathe说。

然而，这项工作最激动人心的方面是它应该大大扩大参与这项技术的应用，Bathe说，就像三维打印在宏观尺度上对复杂的三维几何模型所做的那样。