DNA折纸技术

编辑:博古号互动百科 时间:2019-09-26 12:03:26
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近日出版的英国《自然》杂志,其封面刊登了一张特别的美洲地图的放大版。这张地图的比例是1比200万亿,从美国洛杉矶到纽约只有几十分之一纳米,500亿份该地图可以装进一滴水里。这个用DNA做出的地图,是至今为止在实验室里制作的最大、最精密的物品。该地图的制作者是美国加州理工学院资深研究员保罗·罗斯蒙德。他将自己研究出的这项新技术,称为“DNA折纸术”。
中文名
DNA折纸技术
国????家
美国
单????位
加州理工学院
发明人
保罗·罗斯蒙德

DNA折纸技术背景

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多年来,美国加州理工学院的科学家们一直致力于DNA结构的研究,并发明
DNA折纸技术 DNA折纸技术
了一种所谓的”DNA折纸术”。”DNA折纸术”就是将天然DNA单链中的长链进行反复折叠,并用短链加以固定,由此就能绘出方形、星形等一系列对称的DNA图形半导体行业恰好可以利用这一点。据了解,在IBM的构想中,利用DNA分子结构研制的芯片上,其电子线路间的距离将仅为6纳米左右,相比起目前的45纳米标准,这将是一个大幅改进。利用这种技术,IBM公司将研制出更小、更便宜的微处理器芯片。

DNA折纸技术技术特点

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DNA不仅是包含生物信息的分子,而且能够作为微环境下的组建材料。科学家可先用酶将DNA 分子“切”开,然后在模具中重新组建其双螺旋结构。然而,到目前为止,纳米装配仍是一种造价昂贵的复杂技术,要一个分子接一个分子的操作,且需在真空或超低温环境中进行。
罗斯蒙德发明的“DNA折纸术”,是一项简单且廉价的技术。该技术能够将单个DNA链根据模具的样式随意摆放,为DNA计算机和纳米尺度设备的制作开拓了道路。目前,罗斯蒙德已用DNA分子制作了各种图形,除这幅美洲地图外还包括一个五角星、一片雪花图案、一个双螺旋形以及一副美国地图。罗斯蒙德说:“DNA折纸术如此简单,能让来自不同领域的科学家轻而易举地创造、研究他们梦寐以求的复杂的纳米结构。

DNA折纸技术建造两维世界

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在用DNA分子制作各种图形时,罗斯蒙德先借助纳米仪器,画好折叠物的形状,然后用折叠的DNA长链把这个形状填满。而DNA短链就是固定折叠的DNA长链的“图钉”,有了它们,DNA长链组成的图形才不会散开。罗斯蒙德用计算机计算每一个作品所需DNA短链的数量,然后将这些DNA短链“钉”在长链构成的支架上,就构成了各种图案。
每个DNA短链都有两个分支,就像一个“V”字。每个分支都由特殊的碱基顺序构成,分别与DNA长链上的两个不同区域结合在一起。例如,DNA短链的左支包含ATG片断,而右支包含CGA片断,那么当它与DNA长链结合时,左支就会找到长链上含有ATG的部分,然后附着在上面。而右支也会以同样的方式附着在排序为GCT的片断上。
罗斯蒙德介绍说,将DNA长链和短链一起放入一种碱性溶液加热后,它们就会自动结合在一起,组合成人们想要的图案。整个过程完全是自动组装的,全过程可预先在电脑中设置,根本无需亲自动手,就连高中生都可以完成操作。

DNA折纸技术应用前景

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DNA以其独特的纳米尺度、分子线性结构、物理化学稳定性、力学刚性、自我识别能力以及自组装等优势,正逐步被应用于分子生物学和电子学领域。以DNA为模板,构筑纳米材料及分子器件,正成为一个新的研究热点。
罗斯蒙德说:“这只是一个艺术品,但我相信如果我们有能力用DNA做出所需要的形状,就可以用它们做更有用的物品,而且在制作过程中,人们可以对DNA的结构了解更多。” 罗斯蒙德认为,“DNA折纸术”可应用于电子学和分子生物学领域。
美国威斯康星大学的埃德·史密斯,在《自然》杂志有关“DNA折纸术”的一篇评论中写道:“这项研究显现出来的结果确实令人吃惊不已。”纽约大学纳米技术专家纳定·赛门说:“从某种意义上讲,‘DNA折纸术’是一项革命性变化,它确实改变了人们做事的方法。这个技术可以为微电子部件搭建平台。也可以加入酶,形成一个微小的蛋白质工厂。”
纳米制造技术、纳米电子学、纳米生物学、纳米材料学是纳米科技的四大领域,其中,纳米制造技术是糅合了其他各种学科的基本“艺术”,是当前纳米科学研究的基础——它不仅为纳米科学各个领域的研究和拓展提供强有力的手段,而且是未来纳米产业的支柱。科学家们清楚地知道,很多材料和器件在纳米尺度范围内具有全新的物理性能,当前生命科学的前沿亦必定是纳米或分子水平上的研究,“DNA折纸术”的发展,无疑具有至关重要的意义[2]?
参考资料
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