用DNA做的表情包了解一下？

這次主頁菌給大家介紹一個本世紀的高新生物技術。。。

它的誕生可以說是「熊孩子長大了變成了熊生物學家」的最佳範例了。

它叫做「DNA摺紙」~

不知道大家喜不喜歡摺紙呢

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反正主頁菌小時候因為上課摺紙被罰站過，但是直到現在還是沒事會玩~

其實仔細分析一下的話，摺紙和音樂、繪畫相比特別親民，是有原因的。。。

首先是精準的機械化的操作步驟。不像畫畫，誰也不知道幾毫米的偏差才算是偏差。。。

第二是需要學習的操作技巧非常有限，無非摺疊啊、展開啊、吹鼓啊、粘合啊。。。這就不像音樂，一般音準弄對就很難了。即使像鋼琴一樣音準是一格一格離散的，節奏和力度也很難控制，需要靠不斷訓練來領悟。。。摺紙中的技巧非常模塊化，使得搞個機器人都可以玩，根本不需要人。

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【MIT和慕尼黑理工大學已經研發出了可以自己折自己的摺紙機器人~】

【主頁菌的數學題也能自己做自己就好了】

第三，是紙這種材料其實非常難得，它剛柔並濟，非常容易摺疊、切割、粘合，但是又不會折完就垮。。。（主頁菌也做過木頭和金屬模型，結論是，還是紙最友好啊~）

所以說摺紙最難的步驟是設計。只要設計出來，實際操作是一件不用動腦子的事情。

但是，21世紀是生物的世紀

所以有的喜歡摺紙的熊孩子，後來就成了生化學家。

加州理工大學的Paul Rothemund就是其中之一。他覺得摺紙的這種側重設計、簡化實操的理念，正是如今的生物化學急需的啊。。

生化實驗往往十分複雜，不確定性很高，使得生化學家大部分時間花在考慮實驗哪裡出錯上（主頁菌的同學親測如此），這就大大壓榨了本來可以用來創新的腦洞和時間。。。

Rothemund想用生物分子玩摺紙！

科學界很多東西，一旦有了最初的想法，接下去應該做什麼還是很顯然的——

生化界正好有一種可以摺疊、粘貼、結構簡單、尺寸精準、高度可塑又高度穩定的分子。

它就是DNA。

首先，DNA的長鏈形狀理論上可以被扭曲成各種其他的形狀~而且DNA鏈非常「柔軟」，180度的U形彎不成問題~

而鹼基配對成功的DNA片段，可以通過氫鍵牢固地結合在一起。

氫鍵相當於DNA長鏈的粘合劑，而且確實就和膠水粘合紙帶一樣，想粘哪裡粘哪裡，只要讓粘合片段的鹼基完美配對就可以（A對T，G對C）~

【粘合兩條DNA的氫鍵。】

而且，理論上DNA的摺疊不需要任何人為干預。只要給定適合的溫度和pH,DNA會自己摺疊自己的，就跟剛才看到的小機器人一樣。（聽起來很玄乎，但是其實我們體內的蛋白質，也就是氨基酸長鏈，全都是自己摺疊自己的，蛋白質可以，DNA也可以啊。）

但是不管怎麼說，這是一個大膽的想法。Rothemund決定先實現一個小目標：

折一個表情包出來

他選中了一個微笑的emoji：

他決定用一個病毒的長達7000個鹼基的DNA長鏈作為原材料，把它繞來繞去，繞出微笑的表情：

【這就是他的總設計圖】

在長鏈需要180度大轉彎的地方，他設計了250條長達16個鹼基的短鏈作為粘合劑。這些粘合劑的鹼基序列和長鏈需要轉彎處的鹼基序列完美配對。

這種短鏈DNA很多公司都會做，Rothemund只管提需求就可以~

【圖中灰色的長鏈是「DNA摺紙」主要材料】

【紅色的短鏈是粘合劑】

【顏色只是為了區分，DNA不是紅色的】

有了這些材料以後，Rothemund把它們混在和細胞環境差不多溶液里，加熱再冷卻，然後在原子力顯微鏡下觀察。。。（經過各種艱辛嘗試以後，）居然成功了！！！

【這就是他們觀察到的DNA表情包。。】

當然，可以做微笑，其他表情也不成問題啊：！關鍵是怎麼設計而已。

這項成果雖然看上去沒什麼用，但是實在是太好玩了，於是發在了2006年的Nature上~

大家可以發現DNA摺紙技術有十多年的歷史了，現在它可以說已經發展成一個藝術分支了。

最新DNA摺紙作品展

【

來源：Benson, E.; Mohammed, A.; Gardell, J.; Masich, S.; Czeizler, E.; Orponen, P.; H?gberg, B. DNA Rendering of Polyhedral Meshes at the Nanoscale. Nature 2015, 523 (7561), 441–444.】

【以上兩圖來源：Wyss institute for biologically inspired engineering】

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【來源：Tikhomirov, G.; Petersen, P.; Qian, L. Fractal Assembly of Micrometre-Scale DNA Origami Arrays with Arbitrary Patterns. Nature 2017, 552 (7683), 67–71.】

近幾年的DNA摺紙使用了模塊性更強的，可以相互聯結的「DNA磚」，而不再用扭來扭去的長鏈DNA作為基本單元~

嗯，所以它到底有什麼用？

DNA摺紙一開始確實是純藝術。但事實證明，一個東西只要好玩，總有人能找出用來。。。

比如慕尼黑理工大學的Friedrich Simmel用DNA折出了一把尺子，用於精準測量納米級的生化結構。這明顯是用了這些DNA摺紙結構的穩定性。當然，實際上這些尺子不是直接用的（太貴），而是先用它們校準顯微鏡上的標尺。

Wagenbauer搞了一個DNA球形架子，可以在它的空洞上組裝一些合成的病毒蛋白質，這有助於研發疫苗。這個成果也發表在了Nature上。

【來源：Wagenbauer, K. F.; Sigl, C.; Dietz, H. Gigadalton-Scale Shape-Programmable DNA Assemblies. Nature 2017, 552 (7683), 78–83.】

而我國的Baoquan Ding小組做了一套用DNA折出來的「木筏」運輸抗癌藥物的系統。經過「木筏」運輸的藥物能更有針對性地攻擊癌細胞，降低了機體的排異反應。。這個成果發表在了JACS（主頁菌覺得是化學界最厲害的期刊）上。

【圖中的三角形就是木筏~來源Jiang, Q.; Song, C.; Nangreave, J.; Liu, X.; Lin, L.; Qiu, D.; Wang, Z. G.; Zou, G.; Liang, X.; Yan, H.; et al. DNA Origami as a Carrier for Circumvention of Drug Resistance. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134 (32), 13396–13403.】

666！！！給跪了！！！

可是，就算DNA摺紙真的沒有用，表情包也萌爆了啊！

「科學和藝術，本來就是一家人~」

EoF

核心Reference：

(1) Sanderson, K. What to Make with DNA Origami. Nature. 2010, pp 158–159.

(2) Rothemund, P. W. K. Design of DNA Origami. In IEEE/ACM International Conference on Computer-Aided Design, Digest of Technical Papers, ICCAD; 2005; Vol. 2005, pp 470–477.

(3) 這個是Wikipedia！https://fr.wikipedia.org/wiki/Origami_ADN

【法語把DNA叫做ADN，也是很神奇了~】

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