哈佛大学 严格依赖种子(绿色)的交叉聚合能够形成不同形状的管和卷曲带(灰色)，由此具有不同直径的延伸带通过互补的短单链脱氧核糖核酸突出物(黄色和蓝色)以不同的模式闭合
这一系列的透射电镜图像显示了各种细长的纳米结构，比例尺为100纳米
学分:哈佛大学威斯学院 哈佛大学怀斯生物启发工程研究所和达纳法伯癌症研究所(DFCI)的纳米生物技术专家团队，由怀斯创始核心成员威廉施博士领导
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设计了一种可编程的DNA自组装策略，解决了鲁棒成核控制的关键挑战，并为超灵敏诊断生物标记检测和具有纳米尺寸特征的微米级结构的可扩展制造等应用铺平了道路
使用这种被称为“交叉聚合”的方法，研究人员可以通过严格依赖于种子的成核事件，从细长的单股DNA(称为“板条”)开始编织纳米带
这项研究发表在《自然通讯》上
DNA纳米结构由于其高生物相容性和可编程性，在解决各种诊断、治疗和制造挑战方面具有巨大潜力
例如，为了使有效的诊断设备发挥作用，一个脱氧核糖核酸纳米结构可能需要通过触发一个与护理点或临床实验室环境中可获得的低一氧化碳仪器兼容的放大读数来对目标分子的存在做出特异性反应
大多数脱氧核糖核酸纳米结构是用两种主要策略中的一种组装而成的，每种策略都有各自的优势和局限性
“脱氧核糖核酸折纸术”是由一条长的单链支架链形成的，该支架链由许多较短的短链以二维或三维构型稳定
它们的组装严格依赖于脚手架链，导致坚固的全有或全无折叠
虽然它们可以在很宽的条件下以高纯度形成，但是它们的最大尺寸是有限的
另一方面，“脱氧核糖核酸砖”可以由大量短的模块化链组装成更大的结构
然而，它们的组装需要严格控制的环境条件，在没有种子的情况下可能被错误地引发，并且产生大量需要被净化掉的不完整结构
“在过去的二十年里，脱氧核糖核酸折纸术的引入是脱氧核糖核酸纳米技术领域中最有影响力的进步
“我们在这项研究中开发的交叉聚合方法建立在这个和其他基础上，将受控的DNA自组装扩展到更大的长度尺度，”施说，他是怀斯分子机器人学倡议的共同负责人，也是哈佛医学院和DFCI的教授
“我们设想，交叉聚合将广泛实现二维和三维微结构的全有或全无形成，这些微结构具有可修饰的纳米尺度特征、算法自组装以及在要求极高灵敏度的诊断应用中的零背景信号放大
" 播种 在经历了脱氧核糖核酸折纸术和脱氧核糖核酸砖纳米结构的局限性后，该团队开始询问是否有可能将脱氧核糖核酸折纸术组装的绝对种子依赖性与第三种类型的脱氧核糖核酸纳米结构中无限大小的脱氧核糖核酸砖结构结合起来，这种结构快速且一致地生长到大尺寸
“我们认为，通过设计一个对自发组装具有高自由能垒的系统，可以实现微米级DNA结构的全有或全无组装
屏障只能用一种种子绕过，这种种子结合并排列一组“成核”板条，用于联合捕获“生长”板条
这引发了生长-盐添加的连锁反应，导致长的脱氧核糖核酸条带，”第一作者之一的迪奥尼斯·米涅夫博士说
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，他是施团队的博士后
这种高度合作的、严格依赖种子的成核遵循细胞骨架肌动蛋白或微管丝在细胞中启动和生长的一些相同原则
“细胞骨架丝的伸长遵循严格的规则，每一个进入的单体都与几个先前已经结合到聚合丝中的单体结合，而聚合丝又是结合下一个单体所必需的
“交叉聚合使这一策略更上一层楼，因为引入单体的补充需要非最近邻
由此产生的极端协调水平就是秘密酱，”米涅夫说
从概念到实际结构 将他们的概念付诸实践，该团队设计并验证了一个系统，其中一个微小的种子结构以突出的单链脱氧核糖核酸的形式提供了高起始浓度的预先形成的结合位点
这些可以通过具有六个(或者在另一个十字形系统中为八个)可用结合位点的脱氧核糖核酸板条来检测，每个结合位点以十字形方式结合到六个(或者八个)相邻突出的ssDNA链中的一个上，然后将随后的脱氧核糖核酸板条连续添加到延伸结构中
“我们的设计是非凡的，因为我们实现了巨大的脱氧核糖核酸结构的快速增长，但成核控制比其他方法大几个数量级
“这就像吃了你的蛋糕一样，因为我们很容易就创造出了大规模的组装，而且只在我们需要的时间和地点进行，”第一作者克里斯·温特辛格博士说
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施所在小组的学生，他与米涅夫合作了这个项目
“我们用十字交叉法获得的控制大大超过了现有的脱氧核糖核酸方法，在现有的脱氧核糖核酸方法中，成核只能在生长极其缓慢的狭窄环境中进行
" 通过交叉聚合，施的团队产生了脱氧核糖核酸条带，这些条带由于一次特定的播种事件而自组装成长达数十微米的结构，其质量几乎是典型的脱氧核糖核酸折纸的一百倍
此外，通过利用缝翼构象和相互作用的高度可编程性，研究人员创造了具有不同曲折和扭曲的条带，产生了盘绕和管状结构
在未来的研究中，可以利用这一点来创建功能化的结构，这些结构可以受益于空间分离的隔室
“我们的交叉纳米构建方法的一个直接应用是作为诊断分析中的一种扩增策略，根据特定和罕见的生物标志物形成na微孢子虫，”合著者Anastasia Ershova说，她也是一名博士生
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师从学生
“这种新的纳米制造方法的发展是一个突出的例子，说明怀斯研究所的分子机器人倡议是如何继续受到生物系统的启发，在这种情况下，生长细胞骨架丝，并不断扩大这一令人兴奋的领域的可能性
这一进展使DNA纳米技术的潜力更接近于解决目前没有解决方案的紧迫诊断挑战
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，Ph
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他也是哈佛医学院和波士顿儿童医院的犹大·福克曼血管生物学教授，以及哈佛大学约翰·阿的生物工程学教授
保尔森工程和应用科学学院
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