DNAOrigami将多层弯曲形状添加到其目录中

DNA折纸是一项引人入胜的技术，它使用算法来设计使用DNA螺旋的自组装2和3D纳米结构，为其不断增长的目录添加了一个新成员：具有光滑、非光栅化曲线的多层胶囊状3D形状。设计分层和弯曲几何形状的能力可能会改变纳米制造、分子信号、医学成像和药物输送的游戏规则。

DNAorigami升级工具包的详细信息发表在ScienceAdvances(“AutomatedDesignof3DDNAOrigamiWithNon-Rasterized2DCurvature”)。杜克大学计算机科学专业学生DanielFu和加州大学旧金山分校(UCSF)博士后研究员RaghuPradeepNarayanan博士是该研究的共同主要作者，HaoYan博士是该研究的主任亚利桑那州立大学生物设计与仿生学中心教授、杜克大学计算机科学教授JohnReif博士是该研究的资深作者。

“这是在新型三维结构的自动化设计方面向前迈出的一大步，”Reif说。

DNA折纸自1980年代就已问世。第一个3D形状采用DNA的块设计原理来创建立方体、金字塔和足球。这种传统策略限制了可以生成的不同形状，因为DNA螺旋必须笔直且平行于公共矢量。设计策略的进步提出了使用弯曲的DNA螺旋，这种螺旋更适合生成胶囊状结构，这些结构与天然球状分子更紧密地对齐，同时保留用于分隔分子相互作用的封闭空间。

专家们一致认为，多层、稳定、全封闭、球状DNA纳米结构可以高产量制造，具有明显的优势，但设计此类结构的复杂性使大多数研究人员无法获得它们。早期研究中尝试的弯曲结构大多是单层的，这限制了它们的机械刚度和使用。使用DNA设计胶囊内的胶囊，如俄罗斯套娃，需要能够以纳米级精度将DNA螺旋的长线弯曲和折叠成复杂的3D形状。

目前的研究通过引入开源CAD(计算机辅助设计)软件DNAxiS来开发和自动化多层封闭和弯曲DNA纳米结构的一套新设计原则，用于轴对称的形状。该软件将设计曲线所需的繁琐而冗长的工作流程自动化，并允许用户将他们的图纸或曲线形状的数字模型转换为3DDNA纳米结构。

DNAxiS的工作原理是将长长的DNA双螺旋盘绕成同心环，这些同心环相互堆叠以形成3D形状的轮廓，就像使用纱线线圈制作篮子一样。为了使结构坚固，该团队用额外的层加固了它们。实施多层设计原则(一种称为“强化”的功能)可提高这些圆形DNA结构的产量和稳定性。

“DNAxiS是第一个实施概率算法来执行交叉选择的CAD软件工具，也是第一个用于设计胶囊状弯曲DNA纳米结构的软件工具，特别关注那些具有轴对称性的结构，”作者指出。

使用DNAxiS，研究人员可以制作球果、葫芦和三叶草等形状。设计稳定的DNA纳米结构的关键是放置将较长的DNA线圈固定在一起的短DNA“订书钉”。“如果数量太少，或者位置错误，结构就无法正确形成，”傅说。“在我们的软件出现之前，形状的曲率使这成为一个特别困难的问题。”

DNAxiS生成一个DNA链列表，这些链可能会自组装成预期的形状。然后，研究人员在试管中合成并混合这些链，并通过加热和冷却混合物让它们自组装。

基于当前工作的未来研究可能会推广和优化设计更复杂形状的方法，并激发在实验室和诊所中寻找此类仿生纳米结构的创新应用。