神奇的DNA纳米技术

■ 樊春海 李江

纳米制造

人类文明史也是一部加工制造技术的发展史。体现人类制造水平的标志常被用于命名人类文明发展的不同阶段，譬如“石器时代”、“青铜时代”、“铁器时代”等。尽管可供人类利用的元素种类始终不会超越元素周期表，但随着技术进步，人类已经用这些有限的元素制造出了近乎无限种类的材料，从外形不规则的粗糙石器演进到每平方毫米上亿晶体管的手机芯片。在这种丰富性的背后，有一条主线贯穿始终，那就是对于精度的追求。

今天，人类的加工制造精度已经达到了纳米（即10-9米）水平，并且正在向原子级的精度逼近。纳米尺度之所以重要，是因为在这个尺度的微观结构，往往决定了材料的很多宏观性质，例如机械强度、光电磁性质、生物化学反应活性等。即便同样元素构成的材料，也可以因为微观结构的不同产生迥异的性质。如果我们具备了精确定制纳米结构的能力，就可以生产各种具有强大功能的新材料，诸如抗污材料、高容量储能材料、智能光电材料乃至纳米机器人等等。这些材料在先进制造业、能源、军事、医学等各个领域都有巨大的应用前景。

纳米制造目前主要采用两种不同的途径：一种途径是像雕刻这样“自上而下”（Top-down）加工，从大块的材料开始，通过外部工具将其缩小到所需的尺寸和形状。这是纳米制造的经典模式，例如当前受到高度重视的用于芯片制造的光刻工艺。这种路径相对成熟，但从原理上看，它的精度是由外部工具决定的，在达到10纳米的精度后想要继续向下突破已非常困难。这些精密加工设备，例如深紫外光刻机，其本身的设计制造也极具挑战，成为了我们的“卡脖子技术”。此外，因为一套工具一次只能加工一块材料，这种途径的产能也是有限的，难以满足全球日益增长的需求。

相比之下，“自下而上”（Bottom-up）的制造方法，即利用分子自身的内在信息来引导它们自组装成精确的纳米结构，与自上而下的方法相比，更具有化学多样性高、可大量平行合成、理论精度高的优点。我们知道，化学反应的分子计量单位是摩尔（～6×1023个分子），即便一毫升溶液中只有一皮摩尔（10-12摩尔，对于化学反应而言是很小的量）分子，也相当于有大约1012个组装工作在同时进行。依靠这种大规模平行生产的能力，自然界产生了很多可以达到原子级精度的精美结构，包括遍布地球生物圈的各种高度有序的生命结构。人工的化学自组装也已经可以产生许多对称或具有周期性的精美结构，例如各种人工晶体。然而，让人工的分子自组装产生像芯片甚至类生命体这样复杂的非对称结构，仍然具有很大的挑战性。2005年，《科学》杂志在创刊125周年之际，提出了当今世界最具挑战性的125个科学问题。其中之一便是“我们能推动化学自组装走多远？”。

DNA纳米技术

诞生至今40年的DNA纳米技术，可能为推动纳米制造提供有力的工具。脱氧核糖核酸（DNA）作为生命体最主要的遗传物质，编码了包括人类在内的绝大多数生物的遗传信息。1868年，瑞士化学家米歇尔首次从脓细胞中分离出核素（nuclein），那一刻已经预示着人类开始了探索生命最核心物质的征程。1953年，得益于X射线晶体衍射技术的发展，人们得到了精确反映DNA结构特征的图片。当时在剑桥大学卡文迪许实验室工作的沃森和克里克由此推测出DNA的双螺旋结构。事实上，这个经典DNA双螺旋结构被誉为是当代人类科技文明的标志，就好像埃及金字塔、中国长城是古代文明的见证一样。自（Watson-Crick）双螺旋模型提出以来，人们已经逐渐理解了DNA作为遗传信息载体的功能。DNA分子的A、T、C、G四种碱基可以精确互补配对，而生命体的遗传信息就储存于这四种碱基的排列所形成的编码当中。随后的三四十年间，DNA的测序与合成技术日臻成熟，基因的切、连、转、检以及体外扩增技术崭露头角，人类日渐读懂了生命的密码并开始书写自己的篇章。

根据我们在中学课本上学到的“中心法则”，DNA分子作为信息载体将遗传信息传递给RNA分子，再通过翻译过程合成蛋白质等生物分子。所以在传统认知中，生命体中的复杂结构主要是靠蛋白质、糖类、脂类等“建筑材料”来完成，DNA仅仅是遗传信息的存储介质。而当时间进入公元21世纪，伴随着量子论的蓬勃发展和显微术的不断进步，纳米世界的大门悄然打开，此时人们突然发现，DNA也能作为一种纳米尺度的材料，按程序化的设计构筑出符合预期的、精确而优美的纳米结构。这就产生了DNA纳米技术。

DNA纳米技术简史

DNA纳米技术的基础概念最早由美国纽约大学的Nadrian C.Seeman教授于1982年阐述1。作为一名晶体学家，Seeman当时正在考虑如何用一种有效的方法获得高质量的蛋白质晶体。据说他受到了埃舍尔（M.C.Escher）的木刻画《Depth》启发。这幅画中的飞鱼的四个鳍与头尾在上下左右前后六个正交方向上高度有序排列。Seeman想到，是否可以利用六分叉的DNA结构创建一个三维的DNA晶格，为其他大分子确定空间位置与方向，从而帮助后者形成晶体。在当时，除了线性的DNA双螺旋结构之外，人们已经发现自然界还存在具有分支的DNA结构，包括复制叉和可移动的霍利迪交叉（Holiday Junction），但是这些天然结构并不稳固。Seeman认为，可以通过合理的碱基序列设计消除分叉结构的对称性，制造节点位置固定的核酸分叉结构，这样理论上就可以组装成结构稳固的晶格。这种设想的第一个实验证明也于次年发表2，从此打开了DNA纳米技术这个新世界的大门。

Seeman教授设想的DNA三维框架·ACSNano 2020,14,1319.（版权许可：ACS）·Chem.Rev.2019,119,6459.（版权许可：ACS）

1991年，Seeman报道了利用多条DNA单链互补杂交组装纳米立方体（第一个人工合成的三维核酸纳米结构）的工作3，并因此获得1995年费曼纳米技术奖（Feynman Prize in Nanotechnology）。随后，DNA四面体、DNA八面体等三维结构也先后被合成出来。然而，这些多边形结构的顶点分叉角度是可变的，对构造可延伸的三维晶格来说不够牢固。为此他又构建了更为牢固的双交叉形（DX），用这种结构作为“砖块”（tile）拼接出二维晶格4。2009年，在提出最初设想近30年后，Seeman的研究组终于利用DNA砖块获得了数百微米尺寸的三维晶体结构5。2012年后，哈佛大学发展了一种DNA“单链砖块”系统6，7，利用上百条单链DNA不同区域的杂交互补形成预定的结构。他们在此基础上提出了分子画布和分子乐高的概念，搭建出任意的二维与三维形状，甚至建立了全套的三维ASCII字符和许多中文字符。

不同的DNA砖块结构、三维DNA晶体、多面体、以及像乐高积木一样的DNA“单链砖块”系统Nat.Chem.2017,9,1056.(版权许可：Springer Nature)

与砖块拼贴的方式不同，2006年《自然》杂志的封面文章提出了一种被称作DNA折纸术（DNA origami）的策略8，可以构建出具有任意造型的稳固纳米结构。这种方法是用许多短单链DNA配合，帮助一条数千碱基的长单链DNA折叠成预先设计的图案。与DNA砖块拼装的周期结构不同，这种方法可以构建更加复杂、具有限定边界的DNA纳米结构。上海交通大学于同年利用DNA折纸术制作了纳米尺度的中国地图9，展示了DNA折纸术构建非对称图案的强大能力。2009年，科学家利用多层折叠实现了三维DNA折纸术10。随后，多种界面友好的DNA折纸设计软件陆续出现，大大降低了DNA折纸术的门槛，使得初学者也可以很快设计定制的折纸结构，推动了整个领域的快速发展。

DNA折纸术构建的二维图案、纳米尺度中国地图与三维结构·Chem.Rev.2019,119,6459.（版权许可：ACS）·ACSNano 2020,14,1319.（版权许可：ACS）Nat.Chem.2020,12,1067.（版权许可：Springer Nature

此后，DNA纳米技术迎来了繁荣的发展，各种奇妙的结构不断涌现，诸如莫比乌斯环11、有着复杂曲率的花瓶12、基于图论设计的三维线框兔子13、完全没有链交叉结构的单链DNA折纸14等等。在这个历程中，我们还见证了很多微观结构与艺术的有趣结合。例如，用DNA折纸拼图致敬达芬奇的手稿《维特鲁威人》15、把DNA折纸阵列当成画布绘制的尺寸不到1微米的《蒙娜丽莎》16、将DNA折纸与硅片刻蚀技术结合复刻的梵高的《星空》17等等。

除了这些静态的结构之外，DNA分子可以动态变构的特性还使得构建精确可控的DNA纳米机器成为可能。例如，可以在固定路径上行走并且运送货物的DNA小人18，可以打开盖子的DNA盒子19等等，启发了之后的一系列将DNA纳米结构用于构建纳米机器人的研究。

DNA纳米技术的应用

在应用方面，DNA纳米技术的初心就是为蛋白质这样的功能材料提供框架模板。经过多年的发展，DNA纳米结构已经可以作为框架模板精确调控多种功能材料的空间排布，除了蛋白质之外，还包括金属颗粒、碳纳米材料、矿物质、高分子等。因此，我们提出了框架核酸的理念。基于框架核酸可以结合各种材料形成功能复合结构，模拟自然界已有的许多精巧功能结构，例如病毒颗粒20、细胞上的跨膜分子通道21、多孔的硅藻结构22等等，为解释和利用这些天然结构提供纳米级精度的研究模型。利用DNA纳米技术设计任意结构的能力，我们甚至可以制造自然界原本不存在的结构，产生奇特的物理、化学与生物学性质。近年来，研究者们开展了大量工作，展示了这些功能化的DNA纳米结构在纳米光电子学、合成生物学、DNA存储与计算、生物传感、癌症智能诊疗等领域的巨大潜力。

框架核酸结构模仿自然界硅藻的微观结构Nature 2018,559,593.（版权许可：Springer Nature

例如，当今人类在面对癌症等多种重大疑难疾病时，传统的药物往往存在毒副作用高、容易产生耐药性等亟需克服的缺点。为了改善这些药物的性能，发展合适的药物递送系统就成为了当前生物医药领域的迫切需求。因为人体内环境与疾病机制非常复杂，这就需要我们的药物载体要像真正的医生一样，综合多项诊断指标进行分析判断，然后开出药方。近年来，利用DNA纳米结构构建的纳米诊疗机器人，就从原理上初步具备了这样类似医生的能力。这些机器人可以识别并定位到体内的病灶区域（例如肿瘤），并且只有当满足多个条件之后才会释放其装载的药物分子。这样，纳米机器人就相当于“精确制导武器”，能够让药物集中在病灶部位，降低其在其他正常部位的分布，在提高治疗效果的同时也能减少药物的整体用量，降低药物对于正常组织的毒副作用以及机体产生耐药性的几率。

· DNA纳米技术在生物医学诊疗中的应用研究·Chem.Rev.2019,119,6459.（版权许可：ACS）·Nat.Biomed.Eng.2018,2,865.（版权许可：Springer Nature）·Nat.Commun.2019,10,1.（版权许可：Springer Nature）

DNA纳米技术未来展望

在诞生四十年后，DNA纳米技术将去向何方？在这一领域的科学家们给出了自己的设想。例如，目前想要获得兼具纳米级精度和更大尺寸（微米到毫米级别）的DNA结构仍然具有挑战性。科学家们正在努力发展各种新的手段用于填充这个从纳米到毫米尺度的缺口，为DNA纳米技术在光电子学（例如超材料）与合成生物学（例如人工细胞）中的应用提供可能。理解人工设计的核酸结构如何在活细胞和动物体内组装并发挥作用，创造新的工具来控制活细胞内的天然和人工核酸分子的组装过程，将有可能为核酸化学领域带来革命性的变化，从而推动纳米诊疗和精准医学的发展。更长远考虑的话，探索和发展具有人工智能的DNA机器人，并在动物和人体内工作23。我们相信，DNA纳米技术将迎来更多的理论与技术创新，并且与其他学科交叉碰撞，在应用领域产生新的突破。