DNA是一种传递生命密码的神奇物质，全称脱氧核糖核酸。它那现今为人所熟知的双螺旋结构，在上世纪50年代曾引发众多科学家的激烈争辩。然而，在那场战争中最终胜出，并获1962年诺贝尔奖的沃森和克里克肯定没有想到，他们的后辈会更大胆、更有创造性。
除去本身带有的遗传信息意外，可能大家都不曾意识到，这种特殊的分子竟然会这么“好玩”。
随着DNA折纸技术的发明，DNA的单链分子可以被折叠成各种不同的纳米结构。这些纳米结构可以作为框架，将不同的纳米颗粒粘到它的每个顶点上，然后纳米颗粒再链接到新的框架上，不断反复，最终形成各种形状复杂的三维纳米颗粒有序阵列。
这样的技术很有可能完成纳米技术的一次革命，成为第一种“通用型”纳米结构制造法。
沃森和克里克在研究DNA的双螺旋结构。他们的成果发表在1953年4月25日的《自然》杂志中，被称为“生物科学中最具有革命性的发现”。
今年5月25日，《科学》杂志发表了来自MIT的马克•巴特（Mark Bathe）教授等研究出的全自动化的DNA折纸设计算法，让科学家们不必挨个设计成千上万的碱基对就能得到心仪的DNA框架。有了这种可以随意构成各种形状DNA框架，一种新的用途又应然而生，即将DNA框架应用于纳米材料合成，这将有望用于输送药物、装载像CRISPR这样的基因改造工具、以及储存信息等不同应用。
利用马克•巴特的算法DAEDALUS (DNA OrigamiSequence Design Algorithm for User-defined Structures)制作的DNA三维结构。 图片来源：MIT News
实际上，该项技术突飞猛进的历史只用了短短不到10年。2006年，随着加州理工的保罗•罗特蒙德（Paul Rothmund）一篇《自然》杂志论文的问世，2维平面上的DNA折纸技术（DNA origami）诞生。故名思义，DNA折纸技术就是将长长的DNA单链像纸带一样折叠起来，再用短链加以固定，从而随心所欲地构建出各种图形，比如方形、星型、甚至笑脸（见下图）。
由DNA折纸术制作的各种形状。 图片来源：Nature 2006, 440, 297
DNA之所以可以按需求被折叠、粘贴，还是要归功于它独特的双螺旋结构：两条平行、反向的单链之间按照精密的碱基互补原则相连接，A与T，G与C，就像一把钥匙配一把锁，具有唯一性和高度特异性（A为腺嘌呤，T为胸腺嘧啶，G为鸟嘌呤，C为胞嘧啶）。这些碱基的化学组成使得设计好ATGC排序的两条DNA单链，能在茫茫链海中找到彼此，紧紧结合，最终组成研究人员想要的形状。
平行、反向的DNA双链上的碱基配对。A为腺嘌呤adenine，T为胸腺嘧啶thymine，G为鸟嘌呤guanine，C为胞嘧啶cytosine，碱基对之间由氢键相连(hydrogenbond)。 图片来源：凤凰资讯（左图）sync.hnadl.cn（右图）
随后，DNA折纸技术渐渐延伸到3维空间，利用DNA的双链碱基互补原则来折叠、构建DNA纳米级立体框架的研究进入飞速发展期。
DNA折纸技术的十年发展史（Ten years of DNA origami） 来源：Nature
基于三维DNA折纸技术，由DNA为粘合剂的纳米材料合成技术这一崭新应用被发明。这项技术既可以进行高精密度的自组装，又可实现近乎无限的设计方式，再加上DNA带来的超高稳定性（科学家们曾从五万年前尼安德特人的骸骨中获取DNA），DNA纳米材料技术可谓前景无限。
其发明者奥利格•冈（Oleg Gang）来自美国的布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory），他也是2016年美国巴特勒“年度发明家”（Battelle Inventor of the Year）的获得者。在2008年的《自然》杂志中，他首次发表了《关于利用DNA双链的特异互补性来“粘合”纳米金颗粒以形成固态无机材料》的文章。这篇至今被引用近900次的论文，让“DNA 纳米技术”一跃成为大热。
有了奥利格•冈最新研发的DNA自组框架技术，用乐高积木或者Minecraft（一种可以随意建造的电子游戏）才能造出的奇妙世界可以轻易地在纳米层面实现。这意味着，一种全新的新材料生产方式诞生了，并将有望应用于制造自我修复涂层、全透明金属、导电塑料、高效储存氢能化合物等新型纳米材料。
下面我们就一起来看一下，他们是如何像搭积木一样，随心所欲地操纵纳米级颗粒、创造出高能属性的新材料。
DNA乐高：将粘有短DNA单链（灰色波浪线）的纳米颗粒（黄色球体）粘在多面体DNA框架的顶点上。这些框架可以有（自上而下）立方体、八面体、长四方双锥、棱柱体和双三角锥。框架的每个顶点上都是互补的DNA链，用于同纳米颗粒进行粘结。粘在框架顶点上的纳米颗粒又能与新的DNA框架链接，不断扩展，最终就能形成一个大的整体框架（如右图）。图片来源: Brookhaven National Laboratory
首先，需要挑选一种纳米颗粒作为基本结构单位，这些不可见的颗粒可以被想象成一块积木或者一块砖头。虽然同样的砖头可以造出千万栋不同的大楼，但砖头的硬度、密度、弹性都对大楼的建造有直接影响。因此，在传统的纳米技术中，纳米颗粒必须被仔细加工，以适应工程师想要的最终结构和性质。
不过现在，就不再需要这么费事儿了。
根据的奥利格•冈的说法，有了他们团队的技术，纳米颗粒的材料可以是任何一种无机化合物，金、银、铜、铁，哪个顺眼挑哪个。在挑好的纳米颗粒上粘上密密一层被设计为特定序列的DNA单链。这样，我们的砖头就准备好了。
准备完砖头之后，就要选择作为粘合剂的多面体DNA框架了。这些多面体可以是立方体、八面体、长四方双锥、棱柱体、双三角锥等等，纳米颗粒砖头们会被粘到DNA框架的顶点上。
因此，这些框架的几何形状和排列将决定纳米颗粒的阵列，最终影响所得纳米材料的属性，就像晶体中原子的晶格排布那样决定材料光、电、磁的性质。
这些DNA框架的设计和构建如之前DNA折纸技术里所述，是依托DNA的碱基互补配对原则而实现的。这条原则在万千物种上亿年繁衍进化中亘古不变：A－T，G－C这两组碱基的在各自所属DNA单链上的互补（腺嘌呤A，胸腺嘧啶T，鸟嘌呤G，胞嘧啶C ）。
基于这条原则，DNA框架的形状一经选定，就能通过自组装（self-assembly）完成。研究者要做的只是设计好相应配对的短DNA单链（staple strands）和长DNA单链（scaffold strands）。有了强大的计算机系统的帮助，这比拿着定量菜谱做菜都简单。在这一“菜谱”中涉及的框架边长、顶点个数等参数都是小菜一碟。
当框架完成后，顶点处的短DNA单链就会像章鱼的触手一样，一端连在长DNA单链支架上，另一端预备着捕捉和它碱基互补的猎物：纳米颗粒砖头。
关于纳米颗粒如何被嵌入方形DNA框架的概念图（左侧）。左侧上方的框架内的DNA链（蓝色波浪线）同纳米颗粒（黄色球体）上的DNA链是互补的。 DNA框架外侧的彩色链条代表着不同的末端碱基，这些碱基决定了被DNA框架包裹的纳米颗粒模块如何同彼此连接。图中部的结构是一个简化、纳米级的达芬奇的Vitruvian Man（达芬奇的名画，里面主要展现了人体比例和黄金分割），由TLIYX几种不同的纳米颗粒模块组合而成。图右部是科学家们在原子力显微镜（atomic force microscopy）下生成的高倍数图像（发表于《自然 化学》）。图片来源: Brookhaven National Laboratory
最后，把粘有特定序列DNA单链的纳米颗粒和做好的DNA框架放在一起，彼此互补的碱基就使它们自动、精准地组成基本单位——2维或3维的DNA-纳米颗粒格子框架（lattice）。无数多的格子框架延伸开去，就可得到各种形状的纳米颗粒阵列，生成梦想中的百变智能材料。百变，因所选纳米颗粒和DNA框架近乎无限的扩展性；智能，因DNA碱基A-T和G-C的互补配对无需任何指导便自然发生。
顺时针方向从左后开始：Yugang Zhang, Oleg Gang,Alexei Tkachenko, and Ye Tian，在布鲁克海文的功能纳米材料中心 (Centerfor Functional Nanomaterials)的一个冷冻电子显微镜（冷冻电镜）实验室里。图片来源: Brookhaven National Laboratory
在奥利格•冈团队发表于《自然材料学》子刊的论文中，他们还利用X射线散射（X-ray scattering）和冷冻电子显微镜（cyro-electron microscopy）对其做出的DNA-纳米颗粒框架的结构进行了验证。
达芬奇的Vitruvian Man画。图片来源:Flickr
除了能够将科幻电影里才有的道具带入现实，这项研究震撼人心之处在于，既有自然（DNA）和人工（纳米颗粒）的巧妙匹配，也有科学和艺术的融合。奥利格•冈及其同事利用该技术“画”出了一幅纳米级的Vitruvian Man。此作品不知是在致敬原作达芬奇，还是在致敬那个充满想象力和创造力的、即将在材料界再次重现的“文艺复兴”年代。
【文/ Mengxi Zhang DeepTech深科技（微信号：mit-tr）】
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这篇真是看得热血沸腾，纳米级的“建筑&艺术”时代要来了，真希望这种纳米级“建筑&艺术”迅速运用起来，如视频里讲的那样设计成特定构象的功能材料，用于制作纳米机器人，智能药物等等。好刺激！I love science！
前一段时间，筑波大学也发表了折纸与数理科学研究的美学相关文章呢。应用广阔，前景无限。作用不大！唯一有启发的是，构件单元的“接口”是被事先编码了的，用这个概念来套细胞的组装，会被进化论生物学界一棍子打死！但这是亮点！
有意思啊,名为“DNA折纸”的DNA变形技术不是新技术，早在几十年前科学家就开始将DNA链扭成五角星，笑脸形状
。几年前有研究人员研究出了DNA壳制作技术，用这些DNA壳，能将药物送达癌细胞等指定细胞。研究人员制作出了DNA“变形金刚
Aarhus大学的研究人员最近发明了RNA折纸技术（RNA origami）。与现有DNA折纸技术不同的是，RNA折纸需要RNA聚合酶的参与，大量RNA可以同时折叠成指定形状；另外，RNA折纸可以在活细胞中进行，利用细胞中的酶进行生产。相关成果发表在Science杂志上。
美国《大众机械》杂志报道，随着科学技术的不断发展，从DNA“折纸术”到骨整合技术，一系列“大想法”受以媒体越来越多的关注，未来我们将有机会触摸压电显示器，也有机会购买自己的第一辆超级电容动力汽车
Nature子刊：RNA干扰的新平台 -利用一种称为“核酸折纸”的技术，化学工程师们构建出了由DNA和RNA构成的微小颗粒，可将RNA小片段直接传递到肿瘤处，关闭癌细胞中基因的表达。相关论文发表在6月3日的《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上