单链DNA和RNA折纸可以自动折叠成定义​​的结构

单链折纸技术基于设计规则，可用于使DNA链在单链区域内进出交叉以构建大型纳米结构。

纳米技术人员正在使用DNA（活生物体中存在的遗传物质）及其多功能表亲RNA作为原材料，以努力构建可能用作药物输送工具，生产药品和化学药品的微型纳米工厂或高度生产的微型设备。电气和光学技术的敏感元素。

像自然界中的基因DNA（和RNA）一样，这些经过工程设计的纳米技术设备也由链条组成，这些链条由简写为A，C，T和G的四个碱基组成。这些链节中的区域可以自发折叠并彼此结合通过短的互补碱基序列，其中一个序列中的As与另一个序列的Ts结合，Cs与Gs结合。

哈佛大学及其他地方的W​​yss生物启发工程研究所的研究人员已经使用这些功能来设计自组装纳米结构，例如脚手架DNA折纸和不断增长的尺寸和复杂性的DNA砖，这些结构正逐渐在自然应用中变得有用。然而，将这些结构转化为医学和工业应用仍然具有挑战性，部分原因是这些多链系统由于缺少链而易于出现局部缺陷。此外，它们可自动组装成百上千的单个DNA序列，每个序列都必须经过验证和测试才能用于高精度应用，并且它们昂贵的合成过程通常会产生不需要的副产物。

现在，由来自Wyss研究所，亚利桑那州立大学和Autodesk的研究人员合作在《科学》杂志上发表的新方法首次实现了复杂，单链DNA和RNA折纸的设计，该折纸可以自动折叠成永久的，稳定的，用户定义的结构。与多链纳米结构的合成相反，这些全新的折纸类型是从单链折叠的，可以在活细胞中复制。这可以实现大规模，高纯度的低成本生产，为诸如药物输送和纳米加工之类的非常规应用打开了全新的机遇。

较早的较大尺寸的折纸是由中央脚手架线组成的，该脚手架的折叠和稳定性需要200多根短钉股线，以桥接脚手架的远处并将其固定在空间中。Wyss Institute核心教员和通讯作者彭寅说：“与由数百种组件组装而成的传统脚手架折纸相比，我们的新方法使我们能够可靠地设计和合成稳定的单链和自折叠折纸。”“我们的根本性新方法依靠单链折叠而不是多组件组装来生产大型纳米结构。结合基本克隆和繁殖细菌中单链的能力，DNA纳米技术取得了改变游戏规则的进步，极大地增强了单链折纸在现实世界中的应用潜力。”Yin还是Wyss研究所的分子机器人计划的联合负责人，也是哈佛医学院（HMS）的系统生物学教授。

为了能够生产具有不同折叠模式的单链稳定的基于DNA的折纸，该团队首先必须克服几个挑战。在经历复杂折叠过程的大DNA链中，许多序列需要与遥远的序列精确配对。如果此过程没有以有序和精确的方式进行，则该线束会纠结并在沿途形成不特定的结，从而使其失去作用。

“为避免这个问题，我们确定了新的设计规则，可用来在不同的双链区域之间交叉DNA链，并开发了基于网络的自动化设计工具，该工具可让研究人员将许多此类事件整合到折叠路径中这项研究的第一作者，殷氏团队的博士后研究员韩东然说。

先前创建的最大的DNA折纸结构是通过体外间接合成其所有组成序列并将它们混合在一起而组装而成的。作为新设计过程的关键特征，DNA折纸的单链性使研究人员能够将DNA序列稳定地引入大肠杆菌中，从而在每个细胞切割中廉价且准确地复制它们。汉说：“例如，这可以极大地促进像药物递送载体这样的高精度纳米技术的单链折纸的开发，因为仅需对一个易于生产的分子进行验证和批准。”

最后，研究小组还使单链折纸技术适应了RNA，RNA作为一种不同的核酸材料，具有某些优势，例如细菌的生产水平更高，并且对潜在的细胞内和治疗性RNA应用很有用。将方法转换为RNA可以将合成RNA结构的大小和复杂性扩大到与以前由RNA制造的结构相比增加10倍。

概念验证分析还证明，突出的DNA环可以精确定位，并用作连接功能蛋白的手柄。因此，在未来的发展中，单链折纸可以通过将酶，荧光探针，金属颗粒或药物附着在其表面或内部空腔中来进行功能化。这可以有效地将单链折纸转变成纳米工厂，光敏和发光的光学设备或药物递送工具。

出版物：Dongran Han等人，“单链DNA和RNA折纸”，《科学》，2017年12月15日：卷358，第6369期，eaao2648； DOI：10.1126 / science.aao2648