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从微观构件设计钻石晶格和其他晶体的新方法

流行的联锁积木LEGOS可以产生令人印象深刻的建筑形式。所需要的只是孩子的想象力,以构造几乎无限多种复杂形状。

在《物理评论快报》上发表的一项新研究中,研究人员描述了一种在数十亿分之一米的尺度上使用类乐高元素的技术。此外,他们能够使这些设计元素动起来以进行自我组装,每个乐高积木确定其适当的配合并以精确的顺​​序连接起来,以完成所需的纳米结构。

虽然这项新研究中描述的技术是在计算机上模拟的,但是该策略适用于DNA纳米技术领域常见的自组装方法。在这里,每个乐高积木的等效物都由DNA构成的纳米结构组成,DNA是我们遗传密码的著名分子库。根据可靠的规则,组成DNA的四个核苷酸(通常标记为A,C,T和G)会相互粘附:一个核苷酸始终与Ts配对,而C核苷酸始终与Gs配对。

利用碱基配对特性,这项新研究的通讯作者Petr Sulc等研究人员可以设计可在试管中成型的DNA纳米结构,就像在自动驾驶仪上一样。

苏尔克说:“ 如何设计构件之间的相互作用的方法可能很多,这就是所谓的'组合爆炸'。” “不可能单独检查每个可能的构建块设计,看看它是否可以自行组装成所需的结构。在我们的工作中,我们提供了一个新的通用框架,可以有效地搜索可能的解决方案的空间并找到能够自我解决的方案。 -组装成所需的形状,并避免其他不希望的组装。”

Sulc是分子设计和仿生生物设计中心和ASU分子科学学院(SMS)的研究员。他的同事LukášKroc以及来自意大利的国际合作者Flavio Romano和John Russo也加入了他的行列。

这项新技术标志着DNA纳米技术飞速发展的重要垫脚石,自组装形式正逐渐出现在从纳米镊子到寻找癌症的DNA机器人的各个方面。

尽管取得了令人瞩目的进步,但依靠分子自组装的构建方法不得不与建筑材料的意外粘合相抗衡。挑战随着预期设计的复杂性而增加。在许多情况下,研究人员困惑于为什么某些结构会从给定的基本构造块中自动组装,因为对这些过程的理论基础仍知之甚少。

为了解决这个问题,Sulc和他的同事发明了一种聪明的颜色编码系统,该系统设法将碱基配对限制为仅出现在最终结构设计蓝图中的碱基配对,并禁止其他碱基配对。

该过程通过定制设计的优化算法进行工作,其中用于预期形式自组装的正确颜色代码以最小的能量产生目标结构,同时排除竞争结构。

接下来,他们使用计算机设计了对光子学领域非常重要的两种晶形:烧绿石和立方金刚石,从而使该系统正常工作。作者注意到,这种创新方法适用于任何晶体结构。

为了应用他们的理论框架,Sulc与Biodesign和SMS的同事Hao Yan和Nick Stephanopoulos教授开始了新的合作。他们在一起旨在通过实验实现他们能够在仿真中设计的某些结构。

Sulc说:“虽然我们框架的明显应用是在DNA纳米技术中,但是我们的方法是通用的,也可以用于例如从蛋白质中设计自组装结构。”

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