忘掉3D打印吧——DNA与水分子正构建能自我装配的微型机器

"我们现在可以利用自组装的纳米组件构建复杂预设的三维结构，这就像是纳米尺度的帝国大厦，"哥伦比亚大学工程学院化学工程、应用物理与材料科学教授、布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心软物质与生物纳米材料组负责人Gang表示。

"按需制造三维纳米材料的能力对于许多新兴应用至关重要，范围涵盖光操纵到神经形态计算，以及从催化材料到生物分子支架和反应器，"Gang说道。

在两篇论文中（一篇于7月9日发表在Nature Materials，另一篇于4月11日发表在《ACS Nano》），Gang及其同事描述了一种通过自组装制造目标三维纳米结构的新方法，该方法可在多种应用中找到用途，同时他们提供了一种设计算法供他人效仿。

而这一切都基于最基本的生物分子构建模块：DNA。

新材料的一站式解决方案

在微电子的小型化制造领域，传统方法基于自上而下的策略。光刻是一种常用方法，它利用强光和复杂掩模来蚀刻电路。但主流光刻技术难以处理复杂的三维结构，而增材制造（更广为人知的名称是3D打印）目前尚无法在纳米尺度制造特征结构。在工作流程方面，这两种方法都是逐个串行地制造每个特征。对于构建三维物体而言，这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指导的自组装过程自下而上地构建三维材料和器件。他一直在通过与其他科学家的合作来完善他的方法，例如，为他们所需的工作构建极其微小的电子器件。

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科学家）为明尼苏达大学的合作者交付了一个原型，这些合作者有兴趣在微芯片上集成三维光传感器。他们通过在芯片上生长DNA支架，然后涂覆光敏材料来制造这些传感器。

该设备仅是众多成果中的第一个。在最新发表于Nature Materials的论文中，Gang及其团队建立了一种逆向设计策略，用于从一组纳米级DNA组件和纳米粒子中创建所需的三维结构。该研究展示了他们"DNA折纸"材料设计方法的另外四个应用：由一维链和二维层构成的类晶体结构；模拟太阳能电池板中常见材料的仿生结构；另一种呈螺旋状旋转的晶体；以及为哥伦比亚大学工程学院应用物理学教授Nanfang Yu设计的一种结构，该结构将以特定方式反射光线，以实现他有朝一日创建光学计算机的目标。

在哥伦比亚大学和布鲁克海文国家实验室，团队利用同步辐射X射线散射和电子显微镜等先进表征技术，确认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因素。这些独特结构中的每一个都是在Gang实验室的水溶液中自组装而成。这种材料形成本质上是并行的，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，三维制造可显著节省时间和成本。该制造过程也是环境友好的，因为组装发生在水中。

"这是一个适用于多种材料（具有多种不同属性：生物、光学、电学、磁性）的平台，"Gang说。最终结果仅取决于设计。

DNA设计，化繁为简

DNA的折叠是可预测的，因为构成它的四种核酸只能以特定组合配对。但当所需结构包含数百万甚至数十亿个片段时，如何找到正确的起始序列？

Gang及其同事通过逆向结构设计方法解决了这一挑战。"如果我们知道要创建的功能性大型结构，我们可以将其剖析成更小的组件，以创建具有形成所需结构所需的结构、结合和功能属性的构建模块，"Gang解释道。

这些构建模块是折叠成机械强度高的八面体形状（Gang称之为体素/voxel）的DNA链，其每个角点都带有连接器，可将每个体素连接在一起。使用DNA编码，可以设计许多体素连接成特定的重复三维基元，类似于拼图碎片形成复杂图案。这些重复基元反过来也并行组装，以创建目标的分级有序结构。合作者Sanat Kumar（哥伦比亚大学Michael Bykhovsky与Charo Gonzalez-Bykhovsky讲席化学工程教授）为Gang的逆向设计方法提供了计算验证。

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"，并用最少的数量来形成所需结构。"你可以将其视为压缩文件。我们希望最小化信息量，以使DNA自组装最高效，"第一作者Jason Kahn（布鲁克海文国家实验室科学家，前Gang团队博士后）说道。这项名为"结构编码组装映射"（Mapping Of Structurally Encoded aSsembly, MOSES）的算法就像纳米尺度的CAD软件，Gang补充道。"它会告诉你使用哪种DNA体素来制造特定的、任意定义的三维分级有序晶格。"

在此基础上，你可以在DNA体素内添加不同类型的纳米"货物"，这些货物将赋予最终结构特定的性质。例如，在Yu的实验中，嵌入了金纳米粒子以赋予独特的光学性质。但如前所述，无机和生物来源的纳米组件都可以集成到这些DNA支架中。设备组装完成后，团队还对其进行了"矿化"处理。他们用二氧化硅涂覆支架，然后加热以分解DNA，从而有效地将原始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，探索能够实现复杂结构工程和组装的设计原理，希望实现更复杂的设计，包括旨在模拟人脑复杂连接性的三维电路。

"我们正在顺利建立一个自下而上的三维纳米制造平台。我们将其视为纳米尺度的‘下一代3D打印’，但现在基于DNA的自组装的强大能力使我们能够实现大规模并行制造，"Gang说道。