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改写医学历史 纳米级3D造型技术

2015-07-24 11:50
野明月
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  曾经,有那么一批人,在3D打印刚进入市场的时候就开始预测其未来发展,于是,他们计划了纳米级的3D打印研究方向。纳米级,这不是一般的研究机构能够实现的,但是如果这种预测能够在将来某一天实现的话,无疑会撼动许多领域。

  近日,瑞典研究人员开发出一种完全使用DNA单链构建纳米级结构和形状的技术。有读者可能会问,这种技术有什么用?难道我们还要用DNA链3D打印一个兔子或者甜甜圈?其实,该技术的主要作用是创建出DNA大小的结构使其与人类细胞以及构成细胞的各种分子进行相互作用。人们可以对这些结构进行特殊设计,使其能够为人体提供救生药物或营养物质,其形状将决定它们将会如何或在什么时候被人体吸收。

  这就为彻底治愈人类面临的一些重大疾病带来了希望。比如说癌症,医生们可以使用这种技术关闭癌细胞的生长能力或者使其周围组织腐烂。这些构建体也可用于传递药物,使其被吸引到身体的特定部分,并只影响该区域,而不是破坏周围的组织。据OFweek3D打印网了解,这种折叠DNA的方法被称为“DNA折纸术(DNA origami)”,虽然它并不是第一个被设计用来构建纳米级DNA结构的方法,但是却被认为是最通用、最简化的一种方法。

  “三维DNA折纸术传统上采用密排螺旋,它能够产生实心砖般的形状,人们可以使用干态负染色透射电子显微镜看到它。但是这种新的技术将DNA折纸术用在了生物研究中,但是在这个领域,DNA结构的有些属性,比如在低盐条件下的稳定性和结构的灵活性十分重要,因此这里更加青睐单层、中空的结构。我们在这里报告的这种新的设计模式,采用了单独的双螺旋作为结构元件,而不是密排的螺旋束,从而完全缓解了对于盐分进行非生理浓缩的需要。使得科学家们有望在细胞生物学方面以及活的有机体内进行更多的实验,因为该模型系统条件和真正的生物环境之间更加匹配。”研究人员在这个星期发表在《Nature》上的论文中说。

  该论文的主要作者Bjorn Hogberg博士和他的研究小组已经能够用DNA单链构建出几种形状和配置,其中包括球形、棒形、瓶形、人形,甚至包括一只兔子。尽管DNA的直径通常会小于100纳米(0.0001毫米),但是这些DNA的构建体还不可能做到很小。不过这也不是业余的DNA设计师所能做到的。虽然这些形状很容易设计,而实际打印出来则需要大量的资源,比如您需要对DNA进行排序并将它们吸取在一起,只有专业的研究实验室才有可能做到这些。

  不过Hogberg的团队已经发布了完整的算法代码,希望其他实验室将能够加入进来,简化其技术。

  该技术的操作过程是这样的,研究人员先将所需要的形状输入到计算机,然后通过一种专门的算法计算出以最有效的方式将一个长长的、连续的DNA链折叠成特殊的形状。然后,还有一些DNA短链会起到“订书针”的作用,会帮助维持已经形成的DNA形状,并将其固定在适当的位置。这些“DNA订书针”主要由两个DNA序列构成,它们将会与DNA长链上的特定点相匹配。这些序列会与这些匹配点彼此吸引并与长链结合,使其作为一个稳定的围观生物构建体保持在一起。

  所以从字面上说,DNA折纸术其实也很简单,一旦选定形状之后,它们是自动构建,几乎不需要人工干预。计算机算法会简单地提供一个构建所需3D对象所需要的DNA链列表;然后该列表被发送到实验室,在这里将会合成所需各个单独的DNA链;最后,当所有的DNA链被混合在一起的时候,就会根据设计的互相结合,进行自组装从而形成指定的形状。

  这种算法是由在瑞典Karolinska学院的Hogberg团队开发的,并得到了来自芬兰Aalto大学的一个团队的帮助。他们共同发现,这些由单链、动态成形的DNA构建体是在分子水平上与人体相互作用的理想结构。为了能够轻松地创建这些形状,他们利用DNA的性质去模拟多边的3D形状,而这些3D形状可在计算机设计中用于构建3D模型。这种方法不仅更加有效,而且更加容易与普通的3D设计和3D打印软件兼容。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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