我有一根長長長長長長的DNA，和一些短的DNA，你想要什麼圖案？我給你織！_風聞

我們都熟悉DNA這個名詞，知道DNA是生命的編碼。但你知道它可以像毛衣一樣被編織、像樂高一樣被組裝嗎？

這項技術叫DNA摺紙術。

與傳統的DNA組裝技術不同，DNA摺紙術通過將一條長的DNA單鏈，與一系列短DNA片段進行鹼基互補，就能可控地構造出高度複雜的納米圖案或結構。

2006年，一位名叫Rothemund的美國科學家用一條具有7000個鹼基對的DNA長鏈，彎曲、摺疊出一個笑臉。在我國科學家的努力下，同年，上海交通大學 BioX中心DNA計算機交叉團隊基於DNA摺紙術原理構造出了具有非對稱的圖案，成為該領域的第二項成果。

DNA摺紙術是一門什麼樣的技術？

它如何投入應用、造福人類？

作為一位橫跨生物、化學、物理的學科交叉大牛，這種跨領域的科研生活，於他是怎樣的體驗？

參與“DNA摺紙術”研究的科學家之一、中科院院士樊春海向我們講述了科學家將DNA作為新材料的有趣故事，以及學術交叉給科學研究帶來的有益經驗。

樊春海

上海交通大學化學化工學院

王寬誠講席教授

中國科學院院士

我們都知道核酸DNA是我們的遺傳物質，它由四個字母組成：AGTC。我們可以把它看作一個四進制的世界，就像我們計算機裏面的0和1，只不過它是二進制，編碼了我們的虛擬世界。

1和0編碼了虛擬世界，而AGTC編碼了生命，它們就像代碼一樣可被編碼，而我們每個人都是由AGTC寫成的代碼

在自然界裏，DNA並不僅僅以雙螺旋的形式存在，而是有各種各樣形態的DNA和RNA核酸，有環形的，有棒狀的等。

但是我作為一個化學家，想的是我們能不能合成出新的物質，創造自然界所沒有的東西。

我們可以看到在下面一排，就是化學家創造出來的新的核酸形態：有各種四面體的，有笑臉的等，某種程度上已經超越了自然界的形態。

科學家創造出自然界不存在的核酸形態

這個笑臉是美國科學家在2006年首先做出來的，這是我們現在稱為DNA摺紙術的技術，就是**不把遺傳物質DNA當一個生命物質，而是當作材料使用，**把AGTC編織出美麗的形狀，可以説是科學和藝術的完美融合。

在06年的時候，我們就去了解DNA摺紙技術。

什麼是DNA摺紙？

“DNA摺紙”這個名字，某種程度上是美國人起錯了。實際上，它就像織毛衣的過程一樣，我們的DNA可以被看作是一根很柔軟的毛線，當它和幾百條短鏈片段碰撞、組裝在一起時，它就像毛線一樣被編織成所要的形狀。

這位老外不瞭解織毛衣，他認為這是摺紙，所以他把這項技術命名為摺紙。這是一個錯誤的開始，但是它帶來了美麗，帶來了一整個領域的繁榮。

樊春海院士在造就舞台講解「DNA摺紙術」

我們想，笑臉是一個對稱的，所以我們就做了一個不對稱的。當時我們跟上海交通大學的賀林院士等一起合作。這個不對稱圖形，我們做的是中國地圖，後來成為這個領域第二個發表的成果。

現在，我們已經可以用DNA摺紙術把我們的遺傳物質做成各種各樣的形態。比如説這隻熊貓。

這是示意圖，熊貓裏面每一個像素仍然是我們的中國地圖。這是一個非常帶有我們中國特徵、中國元素的圖案，是用DNA編織而成的圖案。

中國於2006年利用DNA摺紙術構造了非對稱性圖案——一個仿中國地圖的圖案。該結構是首個通過DNA摺紙術構建的非對稱圖形，克服了不對稱圖形帶來的應力問題。該實驗證明，運用 DNA摺紙術的方法，可以構造出非對稱的複雜的二維形狀。他們進一步推斷DNA摺紙術具有構造幾乎任何複雜二維納米級形狀的能力。

從06年到現在已經有十幾年的時間了，在這個過程當中，我們整個領域的人都一直在想，我們現在可以做各種各樣一維的、二維的、三維的形狀，就像3D打印一樣——不過這是納米世界的3D打印，它只有100個納米大小。我們能拿這些形狀來做什麼？

我們發現，可以做這樣一個框架結構。

在唐代，人們就懂得利用框架結構來造房子

在宏觀世界裏，我們最有用的材料之一就是框架材料，像我們現在的房子。事實上，早在唐朝的時候，房子就是由框架組成的。

所以我們就想，是不是可以在納米世界裏面，把DNA的AGTC這四個字母編碼出這樣一些框架物質來，那我們就可以構造整個納米世界。

框架為什麼是有用的，老子在《道德經》裏講了一句話，我覺得可以非常好地描述這樣一件事：“有之以為利，無之以為用。”

如果沒有這樣一些框架的話，我們在座的都只能風餐露宿；房子一定得是框架結構，如果房子是實心的話，我們就沒有辦法住了；一定是空屋才能住人，所以“無”才能有用。

有之以為利，無之以為用

中國哲學非常偉大，它完美地把辯證關係闡述清楚——一定要有，才能有之以為利，一定要無，才能無之以為用。

那麼這樣一些納米世界的框架材料有什麼用處？

我們的房子可以住人，而納米世界裏的DNA框架材料，我們可以讓它住上一些生物的分子，比如説我們的核酸本身，核酸適體，我們的抗體、蛋白質、酶等。

樊春海在造就演講

這些生物分子和它的分子識別過程，核酸的識別，核酸-蛋白的識別，蛋白-蛋白的識別，是我們生命過程的基礎，使我們可以説話，可以行動。

但同時，我把它拿出來，拿到體外，這也就是我們現在生物工程的基本工具，包括基因檢測，包括免疫檢測，包括現在非常時髦的基因治療、免疫治療，都離不開一些最基本的分子工具。現在，我們可以讓它住到這樣一個納米世界的房子裏面。

分子識別是生命活動的基礎，也是生物工程（如PCR、 免疫檢測、基因治療、免疫治療）的基本工具

我們在去年提出了這樣一個定義，把用DNA做成的框架稱為框架核酸。

這是一類人工設計的結構核酸，它的尺寸、形貌和力學特性可以程序性調控，也就是我們通過AGTC這四個字母的編程，可以非常精準地控制它的尺寸，控制它的形貌，控制它的力學特性，就像鳥巢一樣。

這樣就為分子識別的一些元件，比如核酸蛋白抗體等，提供了結構支撐，從而可以使得我們做更好的癌症早期檢測，做更好的癌症治療，或者為像老年痴呆這樣的神經退行性疾病的診療提供更好的工具。

這就是我們主要在做的事情

我們希望跟醫院合作，用這樣一些框架核酸搭成的基本工具來做部分治療和診斷的工作，特別是我們跟仁濟醫院做的前列腺癌早期診斷方面，取得了不少進展。

《化學求索之路》中樊春海撰寫的部分

我們也把這樣一個學術思想總結在今年國際Nature Chemistry《自然·化學》雜誌上。它在創刊十週年之際邀請了國際上50多位科學家共同撰寫《化學求索之路》，共同探討在化學領域還有什麼基本課題可以做。

我們寫了這樣一個條目：我們不是用DNA的遺傳信息，而是它的結構信息，利用它的三維結構來為我們生命本身服務。

這就是我現在主要的工作，這個過程當中，涉及到生物，涉及到化學，涉及到物理，需要很多學科交叉。

我的本科是在南京大學生物化學系畢業的，我的博士學位也是生物化學與分子生物學，這也是為什麼我會做化學會做一點物理。

我當時的導師朱德煦先生，他是我們國家比較早開拓生物化學工業的創始人，而另外一位副導師李根喜教授，他的導師陳洪淵先生是化學系的，他是我們國家生命分析化學這樣一個概念的創導者。

正是因為在這三位導師的指導下，我們當時非常致力於用化學的工具來研究生物學。**我在本科和研究生階段，就注入了這樣一個觀念：****我們要在學科交叉的這樣一個界面上面，來開展工作。**我當時的博士論文，就是用電化學方法來檢測蛋白質。

2000年博士畢業之後，我看到一個消息，艾倫·黑格教授獲得了2000年的諾貝爾化學獎，這是當時的他跟瑞典國王合影的照片，他夫人是一位藝術家，他們兩位的結合也是科學與藝術的結合。

艾倫·黑格教授與瑞典國王合影

黑格教授是一位物理學家，他得的是化學獎。我想這非常好，我正好是用化學的方法來做生物學，我就跟黑格教授聯繫，然後就到了美麗的聖芭芭拉校園學習。

這個學院被譽為美國最漂亮的校園，它正好在海邊。在黑格教授的辦公室，你就可以看到大海。我在那裏用電化學技術檢測核酸檢測DNA，發明了一個叫E-DAN的傳感器，我們可以用它來檢測基因，做基因檢測，我們也可以用它來檢測防偽。

E-DAN的傳感器

我們寫了一篇文章發表在《物證科學通訊》，也被一些國際上的頂級專家認為是一個比較重要的工作。這是我博士後期間的事情。

03年的聖誕節，我回國了，到上海應用物理研究所裏參加答辯，答辯的第二天就聽説我們上海光源已經獲批了，04年1月份就動工。我非常激動地加入了上海應用物理研究所。

上海同步輻射光源：2004年1月動工；2009年落成

上海光源不僅是上海的一張名片，也是我們中國的驕傲，在國際上引起了轟動。09年，上海光源建成。Science和Nature雜誌就報道説，中國加入了國際同步輻射俱樂部。這給我們的感覺就像中國加入了核俱樂部一樣。有這樣一個全國最大的科學裝置作為支撐，我們擁有了最為先進的物理學手段，使我們可以去研究生物分子，去探討我剛才説的這樣的一些框架核酸。

如果用高強度的X光，用小角散射技術，我們可以看到它在溶液裏面是長什麼樣子？它是怎麼演化演變的？正是有這樣一些支撐，使我可以在學科交叉的邊緣上面來開展工作。

當然我覺得可能同樣重要，或者更為重要的一件事情是，我們上海光源的落成，使我們看到中國也可以做出全世界最一流的設施，我們在這樣一流的地方來工作，我們要對得起這樣一個設施。

在我們研究所裏面，一直有這樣一個氛圍。如果我們做不到全世界最好，那我們可能就不一定要做了。

我希望跟我們在座的年輕科學家説，現在我們有這麼好的條件，我們有非常好的人才，我們一定要做出全世界最為原創的工作，我們要勇於跟國際上最先進的團隊競爭，不僅要跟他們並行，而且要領導他們！