像折纸一样折叠DNA 制造纳米机器人

Published 06 Jul.2023 00:00(KST)

韩国研究团队论文登上《自然》

韩国国内研究团队开发出一种纳米技术，可以像折纸一样将作为遗传物质的脱氧核糖核酸（DNA）折叠或展开成各种形状。

科学技术信息通信部6日表示，首尔大学机械工学部教授 Kim Donyeon 研究团队借鉴折纸的工作原理，成功开发出一项能够将单一结构体折叠或展开成多种形态的脱氧核糖核酸（DNA）纳米技术。该研究成果当日以封面论文形式发表于国际学术期刊《自然》（Nature，影响因子 69.504）。

通过外部刺激引发形状变化，从而调控特定功能表达的功能性纳米结构体，可广泛应用于药物递送、分子诊断等多个领域。尤其是脱氧核糖核酸（DNA）纳米技术利用其自组装特性，可以高精度制备具有所需形状和物性的结构体，因此作为开发功能性纳米结构体的下一代技术备受关注。

既有研究中，研究人员在脱氧核糖核酸（DNA）纳米结构体中引入类似铰链或关节的机械元件，开发出了可以运动或发生形变的结构体。然而，由于在纳米尺度上缺乏使单一结构体能够变换为多种形态的多重变形作动原理，只能实现简单的形变和有限的功能。

研究团队受到一张纸可以折出多种形状这一折纸原理的启发，提出了一种能够从根本上克服上述局限的新方法。首先，研究团队根据折纸形态对脱氧核糖核酸（DNA）进行排布，构建出一种像纸一样可以折叠的二维晶格结构，并将其命名为“DNA 线框纸（wireframe paper）”。在这一结构中，选择性地调控目标部位的折叠与展开，从而实现多种形态的变化，是该技术的核心理念。

此时，通过对折叠部位的机械刚性进行优化，在保证结构稳定的同时，使 DNA 线框纸能够以较高成功率实现折叠与展开，这一设计方法正是研究团队开发出的独创性技术。原因在于，薄纸虽然容易折叠但结构较弱，相反使用较厚的纸则难以折叠。实验结果证明，经优化的结构可以在多种形态之间反复折叠与展开，并保持稳定。

DNA 线框纸可根据刺激类型折叠成不同形状，可通过利用脱氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）等分子的结合，或者通过酸碱度（pH）、光照等环境变化进行控制。典型例子是，研究团队根据与疾病相关的微小核糖核酸（micro RNA）的不同种类，设计出 DNA 线框纸折叠成不同形状，从而展示了其作为可同时检测多种微小核糖核酸（micro RNA）传感器的应用潜力。

本次研究开发的设计与制备技术，有望在用于分子诊断的纳米传感器、用于药物递送的纳米机器人等纳米生物领域产生巨大影响。