想象一下，如果能用DNA代替钢材来“打印”一座微缩的摩天大楼。这正是哥伦比亚大学和布鲁克海文国家实验室的研究人员正在开展的工作——利用DNA链可预测的折叠特性，构建错综复杂的三维纳米结构。他们的新型设计方法采用类体素构建模块和一种名为MOSES的算法，实现了纳米级器件的并行制造，其应用领域涵盖光计算和生物支架。与传统光刻或3D打印不同，这种自组装过程完全在水中进行，有望彻底变革纳米制造的未来。
“我们现在可以利用自组装纳米组件构建复杂设定的3D结构，这就像是纳米版的帝国大厦，”哥伦比亚工程学院化学工程与应用物理及材料科学教授、布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心软与生物纳米材料组组长Gang说道。
“按设计制造3D纳米材料的能力对于许多新兴应用至关重要，范围涵盖从光操控到神经形态计算，以及从催化材料到生物分子支架和反应器，”Gang说。
在分别于7月9日发表在《自然·材料》和4月11日发表在《ACS Nano》上的两篇论文中，Gang及其同事描述了一种通过自组装制造目标3D纳米结构的新方法，该方法可应用于多种领域，他们还提供了一套供他人效仿的设计算法。
而这一切都基于最基本的生物分子构建单元：DNA。
新材料的一锅法合成
在微电子的小规模制造方面，传统方法基于“自上而下”的策略。一种常见的方法是光刻技术，它利用强光和精密的模板来蚀刻电路。但主流光刻技术在处理复杂的三维结构时显得力不从心，而增材制造（即3D打印）尚无法制造纳米级的特征。在工作流程方面，这两种方法都是逐一制造每个特征，即串行制造。这对于构建3D物体而言，本质上是一个缓慢的过程。
Gang从生物系统中获得启示，通过DNA导向的自组装过程，以“自下而上”的方式构建3D材料和器件。他一直通过与其他科学家的合作来完善其方法，例如构建他们工作中所需的极微小电子器件。
两个月前，他和他的前学生Aaron Michelson（现为布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心的职员科学家）为明尼苏达大学的合作者交付了一个原型，该合作团队致力于创建集成在微芯片上的3D光传感器。他们通过在芯片上生长DNA支架，然后涂覆光敏材料来构建这些传感器。
那只是众多器件中的第一个。他们在发表于《自然·材料》的最新论文中，Gang及其团队确立了一种逆向设计策略，用于从一组纳米级DNA组件和纳米粒子创建所需的3D结构。该研究展示了其“DNA折纸”方法在材料设计上的另外四种应用：由一维弦和二维层组成的类晶体结构；一种对太阳能电池板中常见材料的模拟；另一种呈螺旋状旋转的晶体；以及为哥伦比亚工程学院应用物理学教授、合作者Nanfang Yu构建的一种结构，该结构将以特定方式反射光线，以实现他终有一天制造出光子计算机的目标。
利用哥伦比亚大学和布鲁克海文国家实验室的先进表征技术，如基于同步辐射的X射线散射和电子显微镜方法，团队证实了所得结构与其设计相符，并揭示了提高结构保真度的设计考量。这些独特的结构均在Gang实验室的水孔中自组装而成。这种材料形成过程本质上是并行的，因为组件在组装过程中汇聚在一起，这意味着与传统方法相比，3D制造在时间和成本上都得到了显著节省。该制造过程也是环保的，因为组装是在水中进行的。
“这是一个适用于许多具有不同属性材料——生物、光学、电学、磁性——的平台，”Gang说。最终结果完全取决于设计。
DNA设计，变得简单
DNA的折叠方式是可预测的，因为组成它的四种核酸只能以特定的组合进行配对。但是，当所需结构包含数百万甚至数十亿个片段时，如何得出正确的起始序列呢？
Gang及其同事通过逆向结构设计方法解决了这一挑战。“如果我们知道想要创建的具有特定功能的大结构，我们可以将其解剖成更小的组件，以创建具备形成所需结构所需的结构、结合和功能属性的构建单元，”Gang说。
这些构建单元是折叠成机械坚固的八面体形状的DNA链，Gang将其称为体素，其每个角上都有连接器，用于将每个体素连接在一起。利用DNA编码，可以设计许多体素使其连接成特定的重复3D基序，这与拼图碎片拼成复杂画面的方式类似。这些重复的基序进而并行组装，形成目标分层组织结构。合作者、哥伦比亚大学化学工程Michael Bykhovsky和Charo Gonzalez-Bykhovsky教授Sanat Kumar对Gang的逆向设计方法进行了计算验证。
为了实现逆向设计策略，研究人员必须弄清楚如何设计这些基于DNA的纳米级“拼图碎片”，使其数量最少但仍能形成所需结构。“你可以把它想象成文件压缩。我们希望将信息量减至最少，以使DNA自组装效率最高，”第一作者、BNL职员科学家、曾任Gang课题组博士后Jason Kahn说道。该算法被称为结构编码组装图谱（Mapping Of Structurally Encoded aSsembly，简称MOSES），Gang补充说，这就像纳米级的CAD软件。“它会告诉你使用什么DNA体素来制造特定的、任意定义的3D分层有序晶格。”
在此基础上，可以在DNA体素内部添加不同类型的纳米“货物”，赋予最终结构特定的属性。例如，嵌入金纳米粒子以赋予独特的光学特性，正如Yu的实验所展示的那样。但是，正如之前所展示的，无机和生物来源的纳米组件都可以集成到这些DNA支架中。一旦器件组装完成，团队还对其进行了“矿化”。他们用二氧化硅涂覆支架，然后将其暴露于高温下以分解DNA，有效地将原来的有机支架转化为高度坚固的无机形式。
Gang继续与Kumar和Yu合作，揭示能够实现复杂结构工程和组装的设计原理，希望能实现更复杂的设计，包括旨在模仿人脑复杂连接性的3D电路。
“我们正在稳步建立自下而上的3D纳米制造平台。我们将此视为纳米尺度的‘下一代3D打印’，但现在基于DNA自组装的力量使我们能够实现大规模并行制造，”Gang说。