将DNA折叠会得到什么？世界上最小的《蒙娜丽莎》了解下

2019 年 6 月 17 日 中科院物理所

听到DNA折纸（DNA origami）这个短语，你会想到什么？用纸折个双螺旋结构吗？或许是个不错的主意。

但它其实还可以是这样的——

折叠个蒙娜丽莎也不在话下——

粗看起来，这些图片似乎和DNA没什么关系嘛……是不是什么人的恶搞吧？毕竟蒙娜丽莎一直是艺术家的宠儿，各种稀奇古怪的笑脸也是大家创作的对象。

不过小编要告诉你的是，前面那两幅笑脸和“蒙娜丽莎”货真价实都是DNA折出来的，虽然在外形上与你所熟悉的科学符号没啥关联感，但它们可都是由核苷酸构成的长链聚合物，与承载生物世界遗传信息的DNA具有相同的性质。可谓是不折不扣的DNA折纸。

DNA折纸和我们平常熟悉的折纸之间的类比关系，从下面这张图你就可以感受到了，都是利用材料的可折叠性质来形成一定的构型，或图案。

DNA和艺术发生关系，早就不是什么稀奇事了，比如还有科学家用DNA绘制《星夜》的。像是梵高、达·芬奇、罗丹这些大师的作品，因为无比经典，不再仅仅是艺术文化符号，科学家们也十分爱用，他们喜欢让自己的研究和艺术关联起来。在当代，让名作去代言新的科学成果，这种传播方式已逐渐成为了科学文化的一部分。

DNA做出了世界上最小的蒙娜丽莎……听起来，是不是很吸引人？直接给媒体提供了简单粗暴的标题。

▲ Nature杂志2017年12月7日刊的封面，是一幅由DNA生成的8000像素“蒙娜丽莎的微笑”，加州理工的研究人员利用fractal assembly的方法拼出来了这个画面。

不过，以上那些DNA做出来的图案我们用肉眼是看不到的，它们都存在于纳米尺度上，人们形象地称为纳米机器。

DNA折纸技术是创造纳米机器的技术之一。早在2006年，美国加州理工学院的教授Paul W.K. Rothemund第一次使用DNA制造了500亿个DNA笑脸，并以“折纸”命名这项技术。

这些笑脸一诞生便登上了Nature封面。虽说有500亿个笑脸，但是，由于他们过于渺小，加起来也没有一滴水的体积大。“蒙娜丽莎的微笑”则是这个团队再度因为同一技术登上同一期刊的封面，足见他们选课题的眼光。

DNA折纸技术一问世，便引起了科学家们的极大兴趣。这是因为，DNA的碱基配对具有特异性和可控性，可以实现原子级别的精密设计与自组装，并且化学性质稳定。在这个基础上，能够创造出各种想要的模型。

目前，全世界有300多个研究小组在研究如何构建DNA纳米模型，他们不仅可以制造二维平面的图形，也“折叠”出了三维的几何物体。

▲ 2015年，瑞典Karolinska研究所用DNA折叠出了3D兔子。

这种极具潜力的纳米材料，也被赋予了实用功能，比如辅助诊断治疗、携带药物分子定点释放。人们甚至展望将来的纳米DNA机器具有“智能”，携带RNA聚合酶，像病毒一样自我复制——感受一下，这种造物的魔力，是不是和“神们自己”一样过瘾？

今年2月28日发布的“中国科学十大进展”中的一项，就是由国家纳米科学中心聂广军、丁宝全和赵宇亮课题组和美国亚利桑那州立大学颜灏课题组合作，研发出的一种旋成筒状的DNA内部携带凝血酶，它并能够特异性识别肿瘤供血血管，在其中形成血栓，“杀死”肿瘤，但不影响健康组织中的脉管系统。相关文章发表于《自然-生物技术》（Nature Biotechnology）期刊上。

美国布鲁克海文国家实验室的科学家OlegGang则采用了另一种思路来构建DNA纳米模型。DNA不再担任绘制图案的主要材料，而成为构建图案的框架。DNA分子可与纳米颗粒结合，也同时能够连接其他纳米颗粒上的DNA，就像乐高积木一样，组合起来就能搭建尺寸更大的三维结构。

这个团队还借用过达·芬奇的另一幅作品，著名的手绘《维特鲁威人》，用DNA积木拼出了一个简易版本。在实验室中，纳米颗粒根据碱基配对原则成功自组装成一个人形，虽然依小编看来……呃，这个图案与其艺术原型的相似度有些勉强。

纳米机器人的概念最早由传奇物理学家理查德·费曼1959年在题为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出：“人类将来有可能建造一种分子大小的微型机器，以分子甚至单个的原子作为部件在非常细小的空间构建物质，这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。”

费曼最初的构想就是利用这些微型机器人来治病，虽然他有生之面未能看到该设想的实现，但最近二十年来，纳米机器人发展十分迅猛，特别是在生物医疗领域，这种技术仿佛将开拓一种新的治疗手段，被越来越多的医学专家所认可。乐观的人们甚至认为，未来三四十年内，我们的生活中将充满纳米机器。

当然，这也是科幻恐怖题材的好源头。从阴谋论的角度来想的话，既然能从底层建造，自然也能在底层拆解。2008年，一部改编自著名动漫的科幻电影《特种部队：眼镜蛇的崛起》，其中的纳米机器直接把埃菲尔铁塔给吞噬了。同年，上映于1951年的经典科幻电影《地球停转之日》被翻拍，摧毁地球的方法就被换成了纳米机器，在其中，纳米机器仿佛蝗虫过境一般吞噬着途径的每一个机器，世界只好等待重启了。

▲《地球停转之日》（2008版）剧照