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
造就-造就官方账号-发现创造力2020-02-19 19:53
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!