Nature封面：像真正“折纸”的DNA折纸

2006年，美国科学家Paul Rothemund发明了一项名为“DNA折纸（DNA origami）”的技术，用一条具有7000个碱基对的DNA链段，通过弯曲、折叠出一个笑脸 ^[1]。这项工作被誉为DNA纳米技术领域的一项里程碑，极大促进了纳米尺度DNA结构的精确构建。近年来，科学家借鉴该技术，从1维到3维，从对称性到非对称性，完成了多尺度空间复杂结构的自组装，更推进了DNA分子计算机、DNA分子机器等多领域的发展。

DNA折纸术（第7082期Nature杂志封面）。图片来源：Nature ^[1]

有意思的是，“DNA折纸”这个名称，很可能是个美丽的误会。樊春海院士曾在一次报告中评价，Paul Rothemund的工作“更像我们织毛衣的过程”——DNA就像很柔软的一条毛线，当几百条短链碰撞在一起时，就像织毛衣一样，编织成所要的形状。“DNA折纸”这个名字，某种程度上可能是个错误。他不了解织毛衣，认为这更像是折纸，就把这项技术命名为DNA折纸。这是一个“错误”的开始，但是它带来了美丽，带来了整个领域的繁荣。^[2,3]

近日，韩国首尔大学Do-Nyun Kim课题组基于折纸机理（paper-folding mechanism），实现了可编程、可重构的DNA折纸（DNA origami）结构。他们借鉴儿童折纸中一张纸可重复折叠和展开成不同形状的思路，设计了DNA线框纸（DNA wireframe paper）结构（下图a），可以将其折叠成各种目标形状，并实现了可编程、可重构的DNA折纸，并讨论了折叠动力学及技术的可扩展性。该工作在Nature 杂志上发表，并被选为封面文章。

儿童折纸与本文DNA折纸。图片来源：Nature ^[4]

当期封面。图片来源：Nature

研究者设计的这种“DNA线框纸”，由DNA螺旋束充当中间的“折痕线”（根据需要设计成某种几何图案）以及“边缘”（刚性更高以保持整体结构的完整性），可沿着折痕线折叠和展开“纸”的某些部分。“折痕线”边缘有两类单链DNA作为“折痕手柄（crease handle）”，用于“纸”的折叠和展开。其中，通过加入与两类“折痕手柄”序列互补的“胶水链”，实现折叠过程；“胶水链”末端都有一个5 nt长的toehold，当加入与“胶水链”互补的“释放链”时，可以通过toehold介导的DNA链置换来展开已经折叠的“纸”结构（下图c）。

DNA折叠机理。图片来源：Nature

该方法重要的优点在于，可以操控“DNA线框纸”按照可编程的方式折叠成各种目标形状。研究者构建了8种折叠图案，AFM测量证实，所有8种图案都可以按预期设计成功折叠。

可编程的各种DNA折叠图案。图片来源：Nature

和我们小时候玩的折纸一样，折痕顶点过于坚硬，或者胶水不够强力，都可能会造成折叠图案的失败。为此，研究者优化了折痕设计和顶点刚度，通过增加“折痕手柄”数量以及调节柔韧性，最大限度地提高折叠成功率，最终使H1、H2和Q1三种折叠的产率从68%、38%和73%，分别提高至93%、94%和88%。

折叠产率优化。图片来源：Nature

这种折纸方式具有良好的可逆性，DNA线框纸可重复折叠和展开。向折叠后的溶液中加入“释放链”后，几乎立即完成展开反应。

折叠特性。图片来源：Nature

此外，这种可重复的折叠和展开不仅可以通过核酸链的加入来实现，还可以通过环境刺激来实现，例如pH值的变化、紫外线照射等。这将有助于提高可折叠DNA线框纸的尺寸，扩展其应用范围。

通过pH和光照控制折叠。图片来源：Nature

随后，研究者将DNA线框纸扩大了四倍，完成了4 × 4折叠矩阵编码。考虑到旋转对称性，一共有35种折叠情况。有趣的是，有些折叠方式还具有协同效应，即一种折叠有助于另一种折叠，可以使得两种设计的折叠产率提高。

大尺寸可编程DNA线框纸折叠。图片来源：Nature

尽管折纸因娱乐性和美学而广为人知，但它也越来越多地被应用于工程技术中。纳米级折纸更有望用于纳米机器人、超灵敏分子传感、超材料等领域。“这项工作的设计独具匠心，核心想法简单且美丽，像孩子折纸一样折叠DNA结构”，瑞士洛桑联邦理工学院Maartje Bastings说，“作者们还结合强度和分层组织的设计原理，对DNA折纸的构象变化、动力学、刚性和柔性之间的平衡提出了独到的见解”。“折纸艺术启发了DNA折纸的发展，通过可编程、可重构的纳米操作，作者设计了DNA线框结构，进一步的用途将令人期待”，Nature 杂志的高级编辑Magdalena Helmer如此评价 ^[4]。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Harnessing a paper-folding mechanism for reconfigurable DNA origami

Myoungseok Kim, Chanseok Lee, Kyounghwa Jeon, Jae Young Lee, Young-Joo Kim, Jae Gyung Lee, Hyunsu Kim, Maenghyo Cho & Do-Nyun Kim

Nature, 2023, 619, 78-86. DOI: 10.1038/s41586-023-06181-7

参考文献：

[1] P. Rothemund, Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature 2006, 440, 297-302. DOI: 10.1038/nature04586

[2] 院士Talk•樊春海：我有一根长长长长长长的DNA，和一些短的DNA，你想要什么图案？我给你织！

https://www.bilibili.com/video/av90354202/   

[3]新民周刊：樊春海：70后院士横跨三个领域

https://m.xinminweekly.com.cn/content/16014.html 

[4] Nature News: Nanoscale origami with DNA-wireframe paper

https://www.nature.com/articles/d41586-023-02022-9 

（本文由小希供稿）