使DNA折纸多样化：生成式设计工具依靠语法规则来找到最佳形状

顾名思义，DNA折纸是一种制造技术，研究人员通过折叠DNA链来创建形状精确的2维和3维纳米结构。这些高度可编程的结构有可能改变药物输送、诊断医学、纳米材料形成和分子计算，但就像折纸一样，科学家们仅限于他们可以概念化的设计

为了克服创意障碍，卡内基梅隆大学机械工程系的研究人员开发了一种生成设计工具，可以生产出符合设计师定义约束的最佳驱动线框DNA折纸纳米结构

形状语法规则用于产品和架构的设计，是一种规划工具，可以帮助操纵形状以符合定义的规则，从而生成新的设计。由于DNA的组成是由一组简单的规则决定的（a对T，C对G），因此将形状语法应用于DNA折纸是研究团队的一个简单选择，他们创建了这样的规则来指导DNA结构的形成

《核酸研究》中介绍的新计算机辅助设计工具依靠语法规则在输出最佳解决方案之前循环设计迭代。这种被称为形状退火的生成设计过程是由机械工程教授Jon Cagan开创的。

他说：“有了这个工具，我们可以制造出人们不一定会自己想到的结构，但现在它们可以有目的地存在于世界上。”

利用该团队对DNA纳米技术的深入了解，他们意识到绝大多数现有的设计只探索了很少的设计空间。首先，创建高度各向异性的DNA折纸形状的复杂性往往阻碍了对潜在突破性设计的探索。此外，设计在可用材料方面往往受到高度限制，因为大多数DNA折纸由于使用标准化和商业上可用的单链DNA“支架”而具有固定的尺寸。机械工程副教授Rebecca Taylor解释说：“设计纳米结构极其困难，因为它需要按照特定的顺序仔细绘制数千个核碱基。”“如果不在设计过程中引入多目标优化，实现在力学、形状和材料使用方面达到预期结果的成功设计将是一个巨大的挑战。因此，我很高兴我们新发布的工具如此易于使用，并将使各级科学家能够产生多样化的设计。这可以加快生物医学的进步。此外，该团队制造并表征了这种新工具产生的多种设计，这使他们能够证明，这种新的管道与将3D网格转换为DNA折纸的基础级表示的现有方法完全兼容 More information: Anthony J Vetturini et al, Generative design-enabled exploration of wireframe DNA origami nanostructures, Nucleic Acids Research (2024). DOI: 10.1093/nar/gkae1268

Journal information: Nucleic Acids Research