DNA技术绘制出世界最小《蒙娜丽莎》！画作宽度仅100纳米

2006 年，加州理工学院的 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 emoji 表情就是科学家们的杰作。

DNA 可以组装成各种形状，包括 2D 笑脸表情、3D 几何物体和字母积木。这种组装是基于一个简单的规则，即碱基对互补。由配对碱基的氢键驱动，互补 DNA 链将自发形成双螺旋。本质上，DNA 的两条链通常是完全互补的。然而，如果 DNA 链仅是部分互补的，那么两条链都可以与多条链互补。Rothemund 指出，这个概念是 DNA 纳米技术的基础。

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。但是之前的 DNA 折纸技术有一个局限，就是尺寸被限制在 100 纳米，如果将其放大，它们会变得过于松软，无法形成一个特定的形状。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。

今日，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。

这是世界上目前为止最小的蒙娜丽莎画像，大致与单独的大肠杆菌一样大 ，整个画布仅有 100 纳米宽。100 纳米有多小呢？ 1 米= 1000 毫米, 1 毫米= 1000 微米, 1 微米= 1000 纳米， 100 纳米则只有 10 的负 5 次方厘米大。

之前世界上最小的蒙娜丽莎画像是科学家利用纳米化学技术在约 30 微米宽的“画布”做出的，约为人发丝的 1/3 宽度，而这一次加州理工学院的作品仅 30 微米的 100 分之 1。

这幅世界上最小的《蒙娜丽莎的微笑》就是利用 DNA 折纸技术创造出来的。说到这里，你可能要问了，生物老师讲过，DNA 是储存信息用的，科学家们干嘛要拿它折纸呢？这个可能是生物老师的看法，但在纳米技术专家看来，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。

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。

该研究的共同第一作者 Grigory Tikhomirov 博士说道：“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。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。

这正是钱璐璐教授课题组的思路。该研究的另一名共同作者、研究生 Philip Petersen 说道：“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，知道每一根试管里有什么折纸块，因此可以发现如何对它们进行组合，组装出最后的产品。首先，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，进一步组装出 4x4 的折纸块。最终，组装出了一整块大的 8x8 折纸块，由 64 个小折纸块组成”。

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）

钱璐璐教授说道：“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。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”。