Nature：利用折纸机制实现可重构 DNA 折纸

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题目：Harnessing a paper-folding mechanism for reconfigurable DNA origami

期刊：Nature

IF：69.504

发表时间：2023年7月5日

通讯作者单位：首尔国立大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06181-7

主要内容：

折纸--用一张纸做出各种形状的艺术--在纳米尺度上利用 DNA 得以实现。这种 "DNA 线框纸 "通过沿折痕线折叠，可以在外部刺激下变成一系列目标形状。

创建动态和可重构的功能性纳米结构一直是纳米技术领域的一项长期挑战。DNA 是构建此类纳米结构的理想材料，因为它的序列可以通过精确编程来设计各种几何形状并控制其机械性能。一种名为 DNA 折纸的自组装技术利用一条可来回折叠的长 "支架 "DNA 链和多条在特定位置以互补方式结合以固定折叠位置的短 "主链 "DNA 链，使研究人员能够在纳米尺度上创造出几乎任何任意的二维或三维形状。此外，人们还开发出了纳米结构，利用柔性铰链和关节将旋转和平移运动机制融入 DNA 中。然而，目前还没有一种机制能使单个结构发生更普遍的动态变化或多重重构。

为了在纳米尺度上开发出更多功能的转换机制，作者从折纸中汲取了灵感。折纸是一种具有数百年历史的技术，可将一张纸折叠成无数的二维和三维形状。作者设计了一种参考 "DNA 线框纸"--一种平面几何网状线材，其中每根线材都由两束 DNA 螺旋线组成，具有多个边缘和顶点（图 1a）。DNA 线是折痕线，作者可以沿着折痕线折叠或展开纸的某些部分。折叠和展开由 "胶水 "短链和 "释放器 "短链驱动，它们分别连接和断开 DNA 线边缘的突出手柄。为了最大限度地提高折叠成功率，作者优化了控制结合强度的手柄数量和调节纸张柔韧性的线框顶点硬度。

作者通过修改手柄序列，使该系统的折叠和展开机制多样化。例如，一张 DNA 线框纸可以根据不同的输入 DNA 链或 microRNA 分子折叠成不同的目标形状。通过交替添加胶水和释放剂链，可重复折叠和展开。这种可重复的折叠和展开不仅可以通过核酸链实现，还可以通过环境刺激实现，例如 pH 值的变化或紫外线或可见光的照射。使用更大的纸张还可以实现更复杂的折叠模式。例如，作者可以将一张比原始纸张大四倍的线框纸折叠成 35 种可能的配置中的 10 种（图 1b）。

尽管折纸因其教育、娱乐和美学用途而广为人知，但它也越来越多地被应用于工程领域。纳米级折纸还有望用于各种技术，包括基于核酸的纳米机器人、超灵敏分子传感器和由精确排列的纳米粒子组成的光子超材料。

然而，作者的工作仅限于简单实现基本的折纸褶皱。有许多先进的折纸和叽里格米（折纸的一种变体，也涉及剪纸）方法可以提供具有高度可控性的多功能重构策略，但在纳米尺度上实现这些方法将十分困难。一种将 DNA 线框片分层组装成更大面板的可靠而稳健的方法，将是扩大基于折纸的重构潜在设计空间的关键。作者还希望开发出一种将 DNA 线框纸折叠成各种三维形状的系统方法。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06181-7

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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