新的计算机模型从DNA设计复杂的3D结构

第一排：基于亚利桑那州立大学昊燕实验室的Fei Zhang提供的序列设计，使用MIT实验室的研究员STAVROS Gaitanaros产生的3D结构预测。底行：Keyao Pan（LCBB）/自然通信设计

来自麻省理工学院的生物工程师开发了一种新的计算机模型，使他们能够设计一种从DNA制造的最复杂的3D结构，包括环，碗和几何结构，例如icosahedrons类似于病毒颗粒的icosahedrons。

该设计程序可以允许研究人员构建DNA支架，以锚定蛋白质和色情敏感分子的阵列，这些分子称为发色团，其模仿植物细胞中发现的光合蛋白，或为药物或RNA治疗创造新的送货术，称为员工生物工程教授。

“一般思想是使用DNA使用纳米级精度来在空间组织蛋白质，发色团，RNA和纳米颗粒。我们拥有三维建筑的精确纳米规模控制是这种方法中的中属于独特的，“一篇文章的高级作者说，在12月3日发布自然通信问题中的新设计方法的纸质教育员。

本文的牵头作者是Postdoc Keyao Pan和前MIT Postdoc Do-Nyun Kim，目前正在首尔国立大学的教师。本文的其他作者是MIT研究生Matthew Adendorff和Hao Yan教授和亚利桑那州立大学的Fei Zhang教授。

DNA通过设计

因为DNA是如此稳定的，并且可以通过改变其序列来容易地编程，但许多科学家认为它是纳米级结构的理想建筑材料。2005年左右，科学家开始使用称为DNA折纸的策略从DNA创造微小的二维结构 - 从DNA“脚手架”链的形状和较小的“钉子”链的构建，与支架结合。这种方法后来翻译成三个维度。

设计这些形状是乏味且耗时的，并在实验上合成和验证它们是昂贵的并且缓慢，因此包括沐浴的研究人员已经开发了计算机模型，以帮助设计过程。2011年，洗澡和同事提出了一个名为Cando的程序，可以产生3-D DNA结构，但它仅限于有限的形状，这些形状必须在矩形或六边形封闭晶格的DNA捆绑上构建。

在新的纸张中，沐浴和同事报告了一种计算机算法，可以采用DNA支架和钉股线的序列，并预测任意编程的DNA组件的3-D结构。使用此模型，它们可以创造比以前更复杂的结构。

新方法依赖于几乎将DNA分开的DNA分开进入称为多元交叉路口的子组件，这是编程DNA纳米结构的基本构建块。这些连接，其与在DNA复制期间自然形成的结相似，由两个平行的DNA螺旋组成，其中链可以展开并“交叉”，与相邻的DNA螺旋的股线结合。

在实际上将DNA切割成这些较小的部分后，沐浴的程序然后将它们的计算方式重新组装成更大的编程组件，例如环，盘和球形容器，全部具有纳米尺度尺寸。通过编程这些DNA组件的序列，设计人员还可以轻松地创建任意复杂的架构，包括对称笼，例如四面体，八面体和十二锭等。

“主要创新识别出我们几乎可以将这些连接分开，只能将它们重新组装在硅中以预测其3-D结构，”沐浴说。“预测Silico中的3-D结构是佩戴的潜在功能应用的核心，因为最终它是3-D结构，其产生功能，而不是单独的DNA序列。”

CALTECH的高级研究助理说，新计划应该使研究人员设计更多的结构比CANDO计划允许的结构，而不是CANTECH的高级研究员，他不是研究团队的一部分。

“由于DNA纳米技术的大部分目前正在使用其结构无法通过原始坎普治疗的分子，目前的工作是一个非常欢迎的推进，”Rothmund说。

研究人员计划在未来几个月内公开可用的算法，以便其他DNA设计师也可以从中受益。在该模型的当前版本中，设计师必须提出DNA序列，但是沐浴希望很快创建一个版本，其中设计者可以简单地给计算机型号特定形状并获得将产生该形状的序列。这将使真正的纳米级3-D印刷，其中“墨水”是合成DNA。

脚手架和霉菌

一旦研究人员就可以访问了任意几何形状的印刷3-D纳米级DNA对象，它们可以通过将它们与其他类型的分子组合使用它们来用于许多不同的应用。“这些DNA对象是被动结构支架，”沐浴说。“他们的功能来自附属于他们的其他分子。”

沐浴的一种分子已经开始使用的是叫做发色团的光收获分子，这是光合作用的关键组分。在活细胞中，这些分子布置在蛋白质支架上，但蛋白质更难以将纳米级组件工程到纳米级组件中，因此沐浴的团队试图模仿蛋白质支架结构与DNA。

另一个可能的应用是设计支架，使研究人员可以模仿由多种蛋白质亚基制成的细菌毒素组件。例如，Shiga毒素由五种蛋白质亚单元组成，该蛋白质亚基布置在特定的五聚体结构中，使得能够将隐身进入细胞。如果研究人员可以重现这种结构，他们可以创建一个禁用其毒性部件的版本，以便剩余部分可用于提供药物和微观或信使RNA。

“这种靶向亚基在进入细胞方面非常有效，并且以不脱离大量警报的方式，或者导致细胞机械的降解，”沐浴说。“通过DNA，我们可以为该入口车辆部件构建脚手架，然后将其附加到其他物品，如MicroRNA，MRNA，癌症药物和其他治疗方法。”

研究人员还使用DNA纳米结构作为模具，形成微小的金或其他金属颗粒。在最近的科学论文中，在哈佛大学的生物学启发工程研究所的沐浴和同事们证明了DNA模具可以将金银形状形状为立方体，球形和更复杂的结构，例如Y形颗粒，具有可编程的光学性质通过计算机模型预测。这种方法提供了一种“按订单”纳米粒子设计和合成程序，具有纳米级科学和技术的PERSE应用。

目前的研究由海军研究办公室和国家科学基金会资助。

出版物：Keyao Pan等，“无编程DNA组件的三维结构的晶格预测”自然通信5，物品编号：5578; DOI：10.1038 / ncomms6578

研究报告的PDF副本：无编程DNA组件的三维结构的无晶格预测

图像：Keyao Pan（LCBB）/自然通信