DNA纳米科技

感谢 @刘polymer 的邀请。
先上维基百科镇楼,DNA nanotechnology 英语好的直接看这个好了。
如果嫌不够,还可以看JACS的perspective Structural DNA Nanotechnology: State of the Art and Future Perspective

好了,以下是简(sui)单(bian)介(che)绍(dan):

1.当简单的DNA分子遇到顽皮的科学家

本来DNA是很简单的双螺旋结构,比如这样:

你所在或了解的领域有哪些技术上不是很复杂,但 idea 非常好,很有原创性的研究?插图

当然,你也可以把双链活生生的拆散,然后就变成了两根单链,有义链和反义链。当他们遇到彼此,就结合在一起,当他们没有遇到彼此,就独自游走在这个世界上。似乎十分的简洁明了。但是英(xian)明(de)神(dan)武(teng)的科学家们并不这样想,他们想,如果一条有义链遇到了一条没他长的反义链会怎么办?
身高不是问题?不管了,先凑合一下,然后就成了这样:

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这样有义链上有一段还是处于单链状态,我们一般叫他粘性末端,考虑到3P从来不是问题,当另一条反义链出现的时候,他们就会粘成一坨,变成这样:

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这样岂不是在另一条链上又出现了粘性末端?
对呀。
那么它又可以用来粘上别的链了?
是的。
有什么用呢?
没用,除了好玩。

我们知道DNA的双链是刚性的,和钢筋一样,杠杠的。当出现了粘性末端,就相当于在末端抹上了502,可以黏上别的钢筋了,这样粘来粘去,不就可以粘出些好玩的东西嘛,比如这个简单的十字架:

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当然也可以更复杂一点,比如立方体笼子和四方体笼子:

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2.把折纸技艺发扬光大

你以为这就完了?怎么可能?科学家们都有一颗奇(yu)思(qiu)妙(bu)想(man)的心。

上面的操作确实可以做出些小玩意儿。但是也就够哄哄熊孩子们。况且过了几年,熊孩子们也渐渐的不满这么简单的玩具了,于是新的大杀器出现了,DNA origami,我们叫他DNA折纸。

折纸大家都知道,把一张纸折吧折吧折成各种各样的造型,比如下面这个:

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它是由一张纸不经剪裁做成的,听说现在已经有软件可以把你想要的造型转化成一定的折纸步骤,这样小白也可以折出一条大龙来,比如这样的:

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一些科学家把这个工艺用在了DNA上,创造了DNA折纸工艺。简单的讲,先拿一条DNA的长的单链,很长很长(染色体说,反正没我长),和一些短的DNA单链,把这根长链的某些特点地方粘起来,使之形成特点的空间构型。比如还是立方体笼子,这个就更加高大上些,还能打开。

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请自行google 搜索DNA origami欣赏更多高清大图。

这套工艺现在成熟到什么程度呢?
现在已经有现成的软件,输入你想要的结构,比如下面这个DNA spaceship:

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软件会告诉你需要的DNA链的序列是那些。然后你把这些链提供给生物公司,他们就可以合成给你。拿到这些链,倒到瓶子里,加点水,煮沸,冷却。你就得到了一艘纳米尺度的spaceship。

很简单,是吧。简直是熊孩子的新玩具啊。厨房里的DNA纳米科技,设计个狂拽炫酷的造型说不定就能发个nature子刊什么。想想还有点小激动呢。

但是,有点贵。订购这些DNA序列加起来大概要10万+,然后为了看到他,需要再来100万+买个原子力显微镜。

看来只能是土豪的新玩具了。

3.分子机器什么的

一步两步一步两步 一步一步似爪牙 似魔鬼的步伐……

DNA链替换反应:

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看不懂的男生自己去wiki,女生可以私信问我。

有了这个东西,就可以做一些动态的东西了,比如DNA tweezers

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看懂的男生请走开,女生请务必私信给我。

还有DNA walker,可以叫做DNA行走机器人。

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4.DNA计算机

DNA计算机是什么?可以吃吗?

上面我们看到了这些DNA链像是活得一般,替换来替换去的。如果这些替换反应是精确可控的,那么我们就可以用来做一个新的东西,计算机。前提是,我们可以构建阈值门。

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然后组合在一起,就可以计算了,比如开个根号什么的:

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Scaling Up Digital Circuit Computation with DNA Strand Displacement Cascades

哈,高大上的计算机,除了算起来慢一点。有多慢?也就开个根号需要10个小时吧。

先这样吧,如果大家感兴趣我在慢慢补充细节。

如果大家英文好,可以去围观哈佛的学霸yin peng
Peng Yin : Wyss Institute at Harvard
还有caltech的美女学霸qian lulu
Lulu Qian – Caltech

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:朱红

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