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任何人都可以做的DNA设计

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2020-04-28浏览次数:1977

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二维纳米级DNA结构。

到目前为止,设计此类结构需要大多数人无法访问的技术专业知识。有了这个新程序,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。

麻省理工学院生物工程副教授马克巴特说:“工作就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日的“科学进步”杂志上发表了他们的研究结果,这是一个名为PERDIX的程序,可在线获取该论文的主要作者是麻省理工学院博士后研究员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和最近的Sakul Ratanalert博士。麻省理工学院的学生,ASU的助理研究科学家Xiaodong Qi和亚利桑那州立大学的教授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提出使用DNA碱基配对来创建任意分子排列。 2006年,加州理工学院的Paul Rothemund创造了第一个脚手架二维DNA结构,通过编织长的单链DNA(支架)形状,与称为“主食”的DNA链杂交,以帮助维持整体结构。它的形状。

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允许支架穿过整个结构并产生一系列短纤维束。 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,使单链支架穿过整个结构,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序列以创建形状并输入主干的序列。

您可以在任何计算机图形程序中绘制形状,然后将它们转换为计算机辅助设计(CAD)文件并将其导入DNA设计程序。 “一旦你有这个文件,一切都是自动的,就像打印一样,但这里的墨水是DNA,”巴特说。

生成序列后,用户可以指示他们轻松制作指定的形状。在本文中,研究人员创建了形状,其中所有边缘都由两条DNA双链组成,但它们也有一个工作程序,每条边可以使用六个更严格的双链体。用于3D多面体的相应软件工具称为TALOS,可在线获取,并将很快发布在ACS Nano期刊上。形状的大小范围为10到100纳米,可以保持稳定数周或数月,并悬浮在缓冲溶液中。

“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过渡,实现DNA结构的功能化并部署到各种应用中。”

纳米级模式

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。这可以用于模拟纳米级模式的抗原,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。

“如何免疫细胞识别纳米级抗原模式是一个非常缺乏了解的免疫学领域,”巴特说。 “以有组织的模式将抗原附着在结构化DNA的表面上,可以发现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光合复合物的光捕获电路。为了实现这一目标,研究人员正在将一种称为发色团的光敏染料附加到DNA支架上。除了采光之外,这些电路还可用于执行量子传感和基本计算。如果成功,这些将是第一个可以在室温下运行的量子计算电路,Bathe说。