2003年是詹姆斯·D·沃森和弗朗西斯·H·克里克发现DNA双螺旋结构50周年。他们的发现将遗传学归结为化学，并为接下来半个世纪的生物学奠定了基础。今天，成千上万的研究人员正致力于破解基因控制生物体发育和功能的各种方式。所有这些基因都写在DNA这种介质中。
然而，这种非凡的分子除了在生物化学中的用途外，还有其他用途。通过采用现代生物技术，我们可以制造具有任意选择的构建块序列的长DNA分子。这种能力为生命进化时自然界没有采取的新途径打开了大门。例如，1994年，南加州大学的伦纳德·M·阿德曼演示了如何将DNA用作计算设备。在本文中，我将讨论DNA的另一种非生物学用途：构建基本元素和机制尺寸在1到100纳米左右的结构和设备——一言以蔽之，即纳米技术。
这种结构具有许多潜在的应用。由DNA制成的规则晶格可以以有序排列的方式保存大型生物分子的副本，用于X射线晶体学测定它们的结构，这是合理设计药物的重要一步。或者，晶格可以作为纳米电子元件的支架，既可以作为工作设备，也可以作为设备制造中的一个步骤。可以构建材料——要么由DNA制成，要么由DNA制成——在分子水平上精确设计结构。带有移动部件的DNA机器可用作纳米机械传感器、开关和镊子，以及更复杂的机器人功能。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻工作 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来关于当今塑造我们世界的发现和想法的有影响力的故事。
分支DNA
纳米尺度是分子的尺度。两个原子之间的典型键长约为0.15纳米。（一纳米是十亿分之一米。）DNA的螺旋直径约为2纳米，每隔3.5纳米左右旋转一周，大约是10个碱基对的距离，碱基对构成了DNA梯子的横档[见第33页顶部的方框]。一小段DNA与其他化学物质具有高度特异的相互作用，具体取决于其碱基对序列。人们可以想象使用这些片段来识别特定的分子，或通过充当催化剂来控制材料的成分。多年来，生物学家一直在利用DNA的识别特性，特别是利用基因工程中的粘性末端。当螺旋的一条链超出另一条链几个未配对的碱基时，就会出现粘性末端[见对页底部的插图]。粘性是悬垂部分与具有相应顺序互补碱基的匹配链结合的倾向——一条链上的碱基腺嘌呤与另一条链上的胸腺嘧啶配对，胞嘧啶与鸟嘌呤结合。
乍一看，DNA似乎不会形成有趣的结构。天然存在的DNA形成一条线性链，就像一长段细绳，因此人们可以想象用它制造的只是直线或圆圈，也许会以某种方式缠绕或打结。但是，线性链不是DNA的唯一形式。在某些细胞过程中，DNA会短暂地以分支分子的形式存在。当DNA复制（为细胞分裂做准备）和重组（当匹配的染色体对之间交换遗传物质时，如在精子和卵子产生时发生的那样）期间，就会发生这种分支。
当双螺旋部分解开成两条链时，就会形成分支。在复制过程中，每条链都通过在其整个长度上添加互补的核苷酸而变成新的双螺旋。（核苷酸是碱基和螺旋相应骨架部分的组合。）更有趣的是重组中发生的交叉，其中两条DNA断裂并部分解开，所得的四条链连接起来，有点像两条高速公路交叉的十字路口。
在重组DNA中，分支点发生在四条链中的每一条链从一个伙伴切换到另一个伙伴的地方。分支点会移动，因为其侧翼的碱基序列中存在二重对称性（如数字69的对称性）。这种对称性意味着每条链都可以与另外两条链中的任意一条配对。1979年，我与华盛顿大学的布鲁斯·H·罗宾逊合作描述这种运动的性质时，我认识到缺少这种对称性的合成DNA分子可以形成分支分子，其分支点不会移动。要设计这样的连接，需要制作四条DNA链。对于每条链，一半的序列将与第二条链的一半匹配，其余一半将与第三条链的一半匹配。
DNA最喜欢的结构是沃森和克里克确定的传统双螺旋结构。一种称为自由能的量决定了哪种结构是首选。通常，自由能决定了化学反应是向前还是向后进行；它还决定了大型分子（如DNA、RNA和蛋白质）的构象——折叠和连接。化学系统总是倾向于向具有最低自由能的状态变化。对于两条互补的核苷酸链，当它们配对形成双螺旋时，自由能最小。
我们不动连接的四条链可以结合在一起，只有通过形成分支分子才能形成最大量的传统DNA双螺旋。通常，分支点是不受欢迎的——它会增加分子的自由能——但这种增加被由普通双螺旋DNA制成的四个臂中节省的更大能量所抵消。今天，合成这些链并实现这种稳定的分支DNA分子的想法很简单，但在1979年，它是最先进的化学技术，而我是一名晶体学家，而不是有机化学家，所以大部分时间我只是思考这个系统。（直到1982年，我才学会如何制作DNA。）
来自埃舍尔的灵感
我发现应该有可能制造具有许多臂的分支DNA连接，而不仅仅是四个臂。有一天，在1980年的秋天，我去了校园酒吧思考六臂连接。出于某种原因，我想到了荷兰艺术家M.C.埃舍尔的木刻《深度》[见第34页上的插图]。我意识到那幅画中每条鱼的中心都像一个理想化的六臂连接分支点的图片。六个特征从鱼的中心点延伸出来：头部和尾部、顶部鳍和底部鳍、左鳍和右鳍。鱼的组织方式与分子晶体中的分子相同，前后、上下、左右都有规律地重复。我突然想到，如果我使用粘性末端将连接点保持在一起，我就可以像埃舍尔用他的想象力将他的鱼群组织在一起一样，在纳米尺度上组织物质。
我们有几个充分的理由想要构建这样的结构。首先，我们的目标是制造由设计的分子连接在一起的宏观物质片段，这些物质的结构由纳米级精度控制。此过程可能会产生具有新颖特性或新颖特性组合的材料。例如，可以通过构建具有特定重复距离的精确定义的阵列来制造具有设计的光学特性的材料，例如光子晶体。
另一个目标是使用DNA作为支架来将其他分子保持在阵列中，包括那些本身不形成规则晶体结构的分子。通过这种方式，可以通过制造包含大型生物分子（如蛋白质）的DNA笼子来制作用于晶体学实验的晶体[见下一页的右图]。这种笼子将使晶体学家能够确定所包含分子的三维结构——这是合理设计与目标分子的特定部分精确匹配的药物的关键步骤。（这种晶体学应用是我对该领域最感兴趣的原因。）目前，许多可能成为优秀药物靶点的受体分子不适合传统的晶体学。类似地，可以将纳米电子元件组织成非常小的存储设备，正如罗宾逊和我在1987年提出的那样。
为什么要将DNA用于这些目的？主要原因是DNA链以最可编程和可预测的方式相互作用。长度为N个碱基的粘性末端具有4N种可能的碱基序列之一。这种巨大的可变性以及末端仅与紧密匹配的序列键合的倾向为设计由大量以完全指定的方式相互连接的DNA链组成的分子提供了充足的空间。此外，我们知道当两个粘性末端结合时会形成经典的螺旋DNA结构，而这些螺旋DNA延伸段相对较硬。因此，我们不仅知道哪些链与哪些其他链连接，还知道连接段的详细形状。自20世纪90年代中期以来，已经可以使用其序列对DNA分支物种的形状进行编程。我们没有关于蛋白质或抗体的这种具体信息，它们是工作元件的其他候选者。它们也具有巨大的可变性，但是确定蛋白质将采取什么形状以及两个蛋白质或抗体将如何连接在一起是繁琐的问题，对于每个例子都必须重新解决。
使用 DNA 的另一个原因是生物技术行业可以轻松合成 DNA。我们可以使用多种酶来操作 DNA，例如限制性酶（在特定位点切割 DNA）或连接酶（催化两个分子通过共价键连接——共价键是原子之间共享电子对形成的牢固化学键）。这些工具可用于制造和操作传统的 DNA，以及奇异的衍生物，其中掺入了与通常四种不同的碱基，或者在 DNA 主链（DNA 梯子的两侧）外部附着了额外的分子。希望使用核酸（DNA 和 RNA）进行治疗的医学研究人员已经制造了许多这样的变体。DNA 非常适合制造此类衍生物，因为沿螺旋线的每个核苷酸都有可以附着分子的位点。
最后，正如我们将在下文看到的，可以诱导 DNA 形成与标准双螺旋不同的结构。我们可以构建纳米机械装置，当从一种 DNA 结构过渡到另一种结构时，其部件会移动——例如闭合的镊子或旋转轴。一个缺点是 DNA 物体必须在水溶液中构建。然而，将最终的结构干燥（例如在云母上）来制作我们结果的显微图像没有问题。
棍状模型
任何新的科学研究项目的第一步都是确定项目基本的可行性。1991 年，当时在特拉华大学的陈俊辉（Junghuei Chen）和我通过构建一个由棍子组成的立方体形状的 DNA 分子来完成这项工作[见下面的插图]。立方体的每条边都是一段双螺旋 DNA；每个角都是一个三臂连接点。每个角连接到其他三个角；据说立方体的连接度为三。基因工程师已经制造了许多线性 DNA 结构，但这是第一个连接度大于二的 DNA 分子。立方体由设计为相互粘附的 DNA 片段自组装而成，但每个片段的末端不会连接在一起。连接酶可以连接这些自由端，从而形成六个闭合环，立方体的每个面上一个。由于 DNA 的螺旋性质，每个环都围绕其两侧的环扭曲，因此即使连接碱基对的所有键以某种方式断裂，立方体也不会散开。
现在在马里兰州罗克维尔人类基因组科学公司的张宇文（Yuwen Zhang）和我构建了另一个名为截角八面体的形状，它类似于立方体，但比立方体更复杂[见第 30 页的插图]。虽然三臂连接足以制造单个截角八面体，但我们改用四臂连接来构建它们。我们打算在每个角伸出的额外臂可以用来将截角八面体连接在一起形成更大的结构，但最终我们没有继续朝这个方向发展。我们只创造了非常少量的截角八面体——足以表征它们的结构，但数量太少，无法尝试将它们连接在一起——即使是这微小的样本也使我们达到了在不彻底改革我们的程序（例如，通过机器人化重复步骤）的情况下所能达到的极限。相反，我们转向了更简单的组件。
改变方向的另一个原因是，我们在此过程中意识到我们构建的棍状多面体并不刚性。DNA 是一个刚性分子：一段长两到三圈的 DNA（我们用于多面体边缘的长度）在其螺旋轴周围摆动的幅度不会超过长两到三毫米的煮熟的意大利面条在其中心轴周围摆动的幅度。这种不灵活确保了我们棍状图形的边缘是刚性的，但我们了解到每个角的角度都非常可变。我们构建的多面体很像用牙签插入角落的棉花糖形成的结构。这种结构可能有用，但构建规则的晶格不是其中之一。用砖状组件自组装有序的、类似晶体的物质比用棉花糖自组装要容易得多。
为了解决这个问题，我的小组研究了在生物重组系统中发现的另一种分支图案，即 DNA 双交叉 (DX) 分子。DX 分子由并排排列的两个双螺旋组成，链在螺旋之间交叉，将它们连接在一起[参见下一页的方框]。我们表征了这个分子并确定它是刚性的。我们还证明了包含另一个小的双螺旋区域（称为 DX + J 分子）的 DX 分子非常刚性。这个额外的双螺旋区域在 DX 分子的顶部创建了一个凸起，它可以用作标记——相当于纳米技术中的一滴油漆。
在与加州理工学院的埃里克·温弗里（Erik Winfree）合作中，我在纽约大学的小组的刘芙蓉（Furong Liu）和丽莎·A·温兹勒（Lisa A. Wenzler）使用 DX 和 DX + J 分子的组合作为瓦片来制造具有明确模式的二维晶体。瓦片通过每个螺旋上的粘性末端连接在一起。一种排列方式，即 DX 瓦片的列与 DX + J 瓦片的列交替排列，会产生以约 32 纳米分隔的条纹图案。我们将阵列沉积在平坦的云母表面上，并用原子力显微镜检查它们，以确认该结构具有正确的尺寸。我们通过制作第二个具有修改过的瓦片的晶体来确定该模式不是偶然的，这些瓦片与每个 DX + J 列连接三个 DX 列，以产生分离距离加倍的条纹。
最近，杜克大学的约翰·H·赖夫（John H. Reifs）小组演示了使用这种模式制成的 DNA 条形码。在这些平铺中，条纹的位置被编程为以代表数字 01101 的模式出现（与我们的 DX 和 DX + J 类似的分子分别用作 0 和 1）。该模式使用输入 DNA 链进行编程，该链的序列编码了 01101 模式。DX 和 DX + J 砖的类似物分别在对应于 0 和 1 的 DNA 链部分上自组装。然后许多这样的五砖序列并行连接在一起，生成 01101 条纹图案。这些条纹之间的距离约为 15 纳米。通过使用原子力显微镜检查条纹，可以有效地使用条形码来读取编码在输入 DNA 链上的数据。这种读取 DNA 序列的可视化方法可以大大加快基于 DNA 的计算的读取阶段，并且还可以用于绘制突变图。在最近对长 DNA 链的使用进行激动人心的扩展中，加州理工学院的保罗·罗特蒙德（Paul Rothemund）使用大约 7,000 个核苷酸的病毒链构建了复杂的图案，包括笑脸和西半球地图。
现在在普渡大学的毛承德（Chengde Mao）和我用类似于我们棍状多面体的 DNA 平行四边形制作了二维图案。可以连接此单元的副本以形成像两个维度中的华夫饼一样延伸的晶体。可以通过更改平行四边形的尺寸来调整阵列中空腔的尺寸。虽然单个分支连接点是松软的，但在平行四边形阵列中，将四个分支连接点排列在平行四边形的角上会产生一个性能良好的单元。
纳米机器
纳米技术的核心是分子尺度的机器。事实证明，DNA 非常适合构建这些机器。我们已经用 DNA 构建了几种装置，但在这里我将重点介绍两种具有明确结构的装置。在这两种情况下，其机制都是基于 DNA 分子的结构转变——从一种构象（例如通常的双螺旋）变为另一种构象。
传统的 DNA 是右手螺旋。想象一下，你走上一个螺旋楼梯，你的左手放在内侧栏杆上，你的右手放在外侧栏杆上。这样的楼梯是右手螺旋。传统的右手 DNA 称为 B-DNA，是典型水性条件下最有利的能量结构。
双螺旋 DNA 还可以根据其碱基序列以及其中浸入的溶液中存在的化学物质而呈现多种不同的结构。其中一种是 Z-DNA，其结构最早于 1979 年由麻省理工学院的亚历山大·里奇（Alexander Rich）及其同事表征[见第 33 页顶部方框]。Z-DNA 是一种左手 DNA 结构。
通常，要制造 Z-DNA，需要一段交替的胞嘧啶和鸟嘌呤碱基。DNA 主链包括带负电荷的磷酸基团，这些磷酸基团在 Z-DNA 结构中彼此靠近。只有当磷酸盐的电荷可以通过含有高浓度盐或特殊效应物质（例如六氨钴，Co(NH3)6）的水性环境相互屏蔽时，这种形成才被认为是有利的
+++，它在低得多的浓度下执行相同的工作。胞嘧啶-鸟嘌呤序列要求使我们能够控制 B-Z 跃迁发生在 DNA 分子上的位置（因此控制我们机器执行的操作），环境要求使我们能够控制跃迁发生的时间（因此控制机器动作）。
我的纽约大学同事孙伟琼（Weiqiong Sun）和申志勇（Zhiyong Shen）、毛承德（Mao）和我构建了一个由两个 DX 分子连接的双螺旋 DNA 轴组成的装置[见右侧插图]。在轴的中间是一个 20 对的序列，在适当的条件下可以采用 Z 结构。在普通条件下，设备的每个部分都会形成 B-DNA，并且两个 DX 分子都将在轴的同一侧。当将六氨钴添加到溶液中时，轴的中心部分会转换为 Z-DNA，一个 DX 分子相对于另一个分子旋转约 3.5 圈；奇数半圈意味着它们现在位于轴的相对两侧。去除六氨钴会使设备恢复到原始结构。我们通过使用涉及连接到 DX 分子的两种彩色染料的光谱学证明了运动的发生。
这种 B-Z 设备相当坚固，但它有一个缺陷。如果将多个不同的 B-Z 设备整合到一个更大的上层结构中（例如，前面讨论过的二维晶格），那么整个结构将只有两种状态：所有机器都处于 B 状态，或所有机器都处于 Z 状态。要单独控制一组机器，需要具有独立触发器的设备。当然，对于 DNA 来说，有一种自然的方法可以做到这一点，即使用 DNA 链作为触发器，并让不同的碱基序列触发每台机器。
为了实现这个方案，现在在亚利桑那州立大学的郝燕、纽约大学的张晓平、沈和我设计了一个系统，当不同的链结合到它时，它的形状会发生改变。该系统由两个平行的 DNA 双螺旋组成，它们在中心交叉区域都简化为单链。根据添加到溶液中的特定链，来结合单链部分，交叉区域可以呈现两种不同的状态 [见下页的方框]。设备的两种状态分别称为 PX（副交联）和 JX（并列）。当设备处于 PX 状态时，中心连接处一侧的两个螺旋与 JX 状态时的位置相比，会旋转大约半圈。
向溶液中添加特定的链对（称为设定链）可以通过结合中心区域而不交叉，使设备处于 JX 状态。要更改为 PX 状态，我们必须首先移除这些设定链。2000 年，贝尔纳·尤尔克 (Bernard Yurke) 和他在朗讯科技的同事表明，可以通过将链的完整互补链结合到其上，从 DNA 中提取该链。为了实现这个过程，我们的设定链具有与机器保持未配对的短端。当我们向溶液中添加完整的互补链时，它会首先连接到未配对的延伸部分，然后从设备上剥离其余的设定链。
当从框架中移除第一组设定链后，我们可以添加不同的设定链，这些链会结合到中心区域并在那里交叉。这种结合会旋转两个双螺旋，并使设备处于 PX 状态。可以通过移除第二组设定链并添加回第一组设定链来反转该过程。通过这种方式，可以随意来回旋转双螺旋。通过添加和移除为其各自结合区域设计的设定链，可以独立操作多个不同的 PX-JX 设备。
我们使用原子力显微镜来验证设备的移动方式。我们制作了这些设备的长链，并将一个大型梯形 DNA 单元连接到每个设备的一侧。当所有设备都处于 PX 状态时，梯形位于链的同一侧。当所有设备都处于 JX 状态时，梯形在两侧交替，呈锯齿形图案。
2000 年，尤尔克和他的同事展示了由三条 DNA 链制成的纳米级镊子。尤尔克称之为燃料链的设定链打开和关闭了镊子。其他研究人员也使用了类似的方法来开启核酶（由 RNA 制成的酶）的活性。1998 年，德克萨斯大学奥斯汀分校的迈克尔·P·罗宾逊 (Michael P. Robinson) 和安德鲁·D·艾灵顿 (Andrew D. Ellington) 通过添加适当的设定链，实现了核酶活性 10,000 倍的增强，该设定链结合到核酶上，改变了其构象。
一个关键目标是将 DNA 设备整合到框架阵列中。这是朝着基于 DNA 的纳米机器人技术迈出的第一步，该技术涉及复杂的运动和多种状态。2006 年末，我与现在在劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造厂的丁宝全一起，报告实现了这一关键目标。我还与现在在 Barr 制药公司的廖世平一起，报告了一种使用 PX-JX 设备的多种状态系统，该系统将 DNA 信号转换为聚合物组装指令。使用与此处描述的设备类似的设备，我们将能够以高精度组装新材料。最近，现在在佛罗里达州立大学的雷竹、纽约大学的詹姆斯·W·卡纳里和菲利普·S·卢克曼以及我，在核酸骨架上组装了一个由一小块尼龙制成的原型。我们期望有一天能够制造出具有特定拓扑结构（骨架的缠绕）和特性的新聚合物和聚合物组合。
未来
基于 DNA 的纳米技术的一个关键目标是将二维的成功扩展到三维。当实现这一目标时，我们将展示通过指定一系列 DNA 序列然后将它们组合起来来设计固体材料的能力。如果系统高度有序，那么前面提到的涉及分子在规则重复框架内进行的晶体学实验将是可行的。
实现此目标主要需要使用 DNA 作为可编程组件，但晶体学和纳米电子学都不能仅依赖 DNA。例如，纳米电子元件（如金属纳米粒子或碳纳米管）必须与 DNA 分子在与 DNA 和其他组件都兼容的系统和液体溶液中组合。鉴于这些分子的化学性质各异，很难在 DNA 阵列中组织金属纳米粒子。但是，我的团队和明尼苏达大学的理查德·A·基尔以及郝燕的团队在这方面取得了成功。此外，即使纳米电子器件可以通过 DNA 自组装构建，纳米机器最终也需要以比从溶液中添加和移除设定链更复杂的方式与宏观世界互动。这项挑战可能是巨大的。
纳米技术梦想机器是一种可以复制的机器。然而，与线性 DNA 不同，支链 DNA 不容易自复制。然而，在 2003 年末，斯克里普斯研究所（加利福尼亚州拉霍亚）的威廉·M·施 (William M. Shih)、乔尔·D·奎斯佩 (Joel D. Quispe) 和杰拉尔德·F·乔伊斯 (Gerald F. Joyce) 朝着自复制 DNA 物体迈出了激动人心的第一步。他们使用五条短辅助链完成组装，用一条长链 DNA（约 1700 个碱基）构建了一个八面体 [见下图]。八面体的每条边都由两个相互连接的 DNA 双螺旋组成，这是一系列 DX 和 PX 分子。每条边大约长 14 纳米，大约是双螺旋的四圈。折叠的八面体无法复制，但在展开状态下，可以通过一种称为 PCR（聚合酶链式反应）的标准生物技术过程轻松地将长链克隆数百万次。这仍然与每个生物体实现的复制相去甚远，但在沃森-克里克百年纪念日到来时，我们应该会有基于 DNA 的机器也能做到这一点。
作者
纳德里安·C·（内德）·西曼接受过晶体学培训，但他对大分子结晶实验的挫败感让他产生了这样一个想法：DNA 连接可以用于一种新的结晶方法。从那时起，他一直在努力实现这个概念及其衍生概念。在过去的 19 年里，西曼一直在纽约大学的化学系工作。当在 20 世纪 80 年代中期有人告诉他他所做的事情是纳米技术时，他的反应类似于莫里哀的《贵人迷》中的主人公乔丹先生，他很高兴地发现自己一生都在说散文。