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计算机程序可以将自由形式的二维绘图转换为DNA结构

发布时间:2019-01-27 15:39:53 来源:

麻省理工学院和亚利桑那州立大学的研究人员设计了一个计算机程序,允许用户将任何自由形式的图形转换为由DNA构成的二维纳米级结构。

到目前为止,设计此类结构需要技术专业知识,使大多数人无法接触到这一过程。使用新程序,任何人都可以创建任何形状的DNA纳米结构,用于细胞生物学,光子学,量子传感和计算等应用。

麻省理工学院生物工程副教授,该研究的资深作者马克巴特说:“这项工作的作用是允许任何人从字面上绘制任何二维形状并自动将其转换为DNA折纸。”

研究人员在1月4日出版的“科学进展”杂志上发表了他们的研究结果,该计划名为PERDIX,可在线获取。该论文的主要作者是麻省理工学院博士后的Hyungmin Jun和亚利桑那州立大学助理研究教授Fei Zhang。其他作者是麻省理工学院的研究助理Tyson Shepherd,最近麻省理工学院博士研究生Sakul Ratanalert,ASU助理研究科学家Xiaodong Qi和ASU教授Hao Yan。

自动化设计

DNA折纸是将DNA折叠成微小结构的科学,起源于20世纪80年代早期,当时纽约大学的Ned Seeman提出利用DNA的碱基配对能力来创造任意的分子排列。2006年,加州理工学院的Paul Rothemund创造了第一个支架式二维DNA结构,通过形成一条长的单链DNA(支架),使得被称为“主食”的DNA链与其杂交以帮助整体结构保持其形状。

其他人后来使用类似的方法来创建复杂的三维DNA结构。然而,所有这些努力都需要复杂的手动设计以使支架穿过整个结构并产生短纤维束的序列。2016年,Bathe和他的同事开发了一种自动生成三维多面体DNA结构的方法,在这项新研究中,他们开始自动设计任意二维DNA结构。

为了实现这一目标,他们开发了一种新的数学方法,用于将单链支架穿过整个结构以形成正确的形状。得到的计算机程序可以采用任何自由形式的绘图并将其转换为DNA序列以创建该形状并进入主链的序列。

可以在任何计算机绘图程序中绘制形状,然后将其转换为计算机辅助设计(CAD)文件,将其输入DNA设计程序。“一旦你有了这个档案,一切都是自动的,就像打印一样,但这里的墨水就是DNA,”巴特说。

生成序列后,用户可以命令它们轻松制作指定的形状。在本文中,研究人员创造了一种形状,其中所有边缘都由两个DNA双链组成,但它们也有一个工作程序,每个边缘可以使用六个双重,这些更加严格。用于三维多面体的相应软件工具,称为TALOS,可在线获得,并将很快发表在ACS Nano杂志上。形状的尺寸范围从10到100纳米,可以保持稳定数周或数月,悬浮在缓冲溶液中。

“我们能够以非常简单的方式设计和制造这些产品,这有助于解决我们领域的主要瓶颈,”Bathe说。“现在,该领域可以向更广泛的行业和学术界人士过渡,从而能够实现DNA结构的功能化并将其部署到各种应用中。”

纳米级图案

因为研究人员可以精确控制合成DNA颗粒的结构,所以它们可以在特定位置附着多种其他分子。这可用于模拟纳米级模式中的抗原,以阐明免疫细胞如何识别并被病毒和细菌上发现的特定抗原排列激活。

“免疫细胞如何识别纳米级抗原模式是一个非常缺乏了解的免疫学领域,”Bathe说。“将抗原附着到结构化DNA表面以有组织的模式显示它们是探测这种生物学的有力方法。”

另一个关键应用是设计模拟植物中光合复合物的光捕获电路。为了实现这一目标,研究人员将称为发色团的光敏染料附加到DNA支架上。除了收获光之外,这些电路还可用于执行量子感测和基本计算。如果成功,这些将是第一个可在室温下运行的量子计算电路,Bathe说。

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