本文转载自“学术经纬”。
2006年，加州理工学院（Caltech）的Paul Rothemund博士开发了一种技术，能按照预先的设定，将DNA折叠成特殊的形状。这一技术也被戏称为“DNA折纸”。它让科学家们能控制DNA的自我组装，拼成特定的形状。100纳米大小的笑脸，就是科学家们的杰作。
▲DNA折纸技术曾于2006年登上《自然》封面（图片来源：《自然》）
这一技术除了好玩之外，还给纳米技术领域带来了革命：人们能利用这一技术，制造出分子级的“设备”，或是分子级的“智能材料”，从而带来无限应用可能。然而，为了进一步拓展纳米技术的应用前景，我们还需要大大增加“DNA折纸”的尺寸。
12月6日，同样是来自加州理工学院的钱璐璐教授开发了一种成本低廉的“DNA折纸”技术，能让大块大块的结构进行自我组装，形成完全自定义的结构。为了彰显这项技术的潜力，钱璐璐课题组用DNA创造了世界上最小的“蒙娜丽莎”画。这一突破性的成就登上了最新一期《自然》杂志的封面。
▲本次用DNA组装出的蒙娜丽莎（图片来源：钱璐璐教授课题组 / 加州理工学院）
▲12月6日的研究同样登上了《自然》封面（图片来源：《自然》）
说到这里，也许有些读者会产生疑问。DNA不是储存遗传信息的材料吗？要它来折纸有何用？纳米技术专家并不这么看。在他们眼里，DNA是一种杰出的化学材料——DNA中的四种碱基能精确地相互匹配，形成稳定结构。
举例来说，为了让DNA折成想要的形状，纳米专家们会在环境中提供一条长长的单链DNA，并辅以多条能和该单链长DNA不同区域形成互补的单链短DNA。在精确匹配后，最初的单链长DNA的各个互补区域会各自折叠，让整个分子自组装成我们想要的结构。多块不同的小折纸进行组合，就能拼出更大的结构。
▲人们对DNA折纸一直情有独钟（图片来源：《自然》）
说起来容易做起来难。想要让DNA组装成复杂的结构，就必须对DNA的生化特性有着极为深入的理解。如果不能准确预测每一块折纸的折叠方式，想要组装成复杂结构也就无从谈起。除此之外，我们还需要往上升华一层，理解每一块DNA折纸的生化特性。只有这样，我们才能确保不同的折纸块找到自己的伙伴，按正确的位置组合拼接在一起。
这正是钱璐璐教授团队所面对的挑战。为此，他们特地开发了一款软件，能根据输入的图像，设计一张“DNA”画布。画布由不同的DNA折纸组合而成，而每一块DNA折纸，都需要精确的设计。
▲本研究的主要负责人钱璐璐教授（图片来源：加州理工学院）
“我们可以把每一块DNA折纸都加上不同的边缘，让它们和特定的DNA折纸相结合，在特定的位置发生自我组装，从而形成一个DNA超结构，”该研究的共同第一作者Grigory Tikhomirov博士说道：“但这样一来，我们就需要设计上百种不同的边缘。这在合成上是非常昂贵的，因此很难做设计。我们希望能使用很少的边缘特征，但依旧让不同的折纸找到自己的位置。”
要做到这一点的关键，就是分步进行组装。想象一下我们是怎么玩拼图的吧。每一片拼图只有四条边，而每一条边的模样是有限的。但如果我们先把几片拼图拼在一块，就能让这一小块拼图有着独特的边缘。我们就能以这些拼图为中心，拼出整块拼图的模样。
▲本研究的组装思路（图片来源：钱璐璐教授课题组 / 加州理工学院）
这正是钱璐璐教授课题组的思路。“我们合成了每一种小的折纸块，并将它们放在不同的试管中。这样的试管一共有64根，”该研究的另一名共同作者、研究生Philip Petersen说道：“我们知道每一根试管里有什么折纸块，因此我们知道如何对它们进行组合，组装出最后的产品。首先，我们从每4根试管里拿出折纸块进行组装。这样你就得到了16个2x2的折纸块。用同样的方法，我们进一步组装出了4x4的折纸块。最终，我们组装出了一整块大的8x8折纸块，由64个小折纸块组成。我们设计了每一小块的边缘，因此我们知道它们会如何组装。”
这一8x8的折纸块是Rothemund博士在2006年折出的DNA的64倍大。由于研究人员不断重复使用同样的边缘进行组合，实际上研究人员们的工作量并没有多出许多。这能在保持成本接近的同时，拓展DNA折纸的应用前景。
▲研究人员们还组装出了细菌（上）和公鸡（下）（图片来源：钱璐璐教授课题组 / 加州理工学院）
“为了让其他对平面DNA纳米结构感兴趣的研究者能快速用上我们的技术，我们开发了一款在线软件工具，能把用户喜欢的图片直接转化为DNA链，并提供实验方法，”钱璐璐教授说道：“这一方法能直接被机器人读取，自动混合DNA链。我们不用费太多力气，就能让DNA自我组装成我们想要的纳米结构。”
▲Paul Rothemund博士介绍DNA折纸（视频来源：TED）
参考资料：
[1] The world's smallest Mona Lisa
[2] Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns
[3] DNA self-assembly scaled up
