正如肥皂中的蠕蟲狀膠束一樣，DNA 鏈也可以經(jīng)歷各種的拓?fù)湫巫?，盡管需要蛋白質(zhì)的參與。這里展示了鏈的分離和重新連接(重組酶蛋白，綠色)；分離和重新交叉(拓?fù)洚悩?gòu)酶蛋白，黃 色)；融合(連接酶蛋白，青色)和斷裂(限制內(nèi)切酶，紫 色)等過程。前兩個(gè)過程對(duì)于相同的蛋白質(zhì)是可逆的，其他過程不可逆

這對(duì)如何進(jìn)行DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變有著根本性的影響。不同于一般的蠕蟲狀膠束，它們可以隨時(shí)隨地進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。DNA只能在對(duì)的位置和對(duì)的時(shí)間里發(fā)生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變(正如生物學(xué)家所言，它們必須受到“規(guī)范”)。隨之，一個(gè)令人興奮的想法在我腦中醞釀：在接下來的5年里，我將努力嘗試人工再現(xiàn)，創(chuàng)造出新一代材料。

比如說要斷開DNA，你就需要“限制性內(nèi)切酶”，它能夠?qū)δ骋惶囟ㄐ蛄械腄NA進(jìn)行切割。同時(shí)，拓?fù)洚悩?gòu)酶蛋白質(zhì)必須精確地定位到染色體的某些特定位置，那些位置上會(huì)聚集更多的糾纏態(tài)和機(jī)械應(yīng)力。類似的，當(dāng)兩段DNA重新連接重新結(jié)合時(shí)——例如，當(dāng)父母的遺傳物質(zhì)在配子(卵子和精子細(xì)胞前體)中重組時(shí)——這一過程在空間和時(shí)間上都受到嚴(yán)格的控制，避免細(xì)胞染色體畸變的發(fā)生。就像是DNA在蛋白質(zhì)的調(diào)控下如同智能蠕蟲狀膠束一般。

說來也許你都不信，但事實(shí)就是美國微生物學(xué)家漢密爾頓·史密斯在20世紀(jì)70年代首次發(fā)現(xiàn)限制性內(nèi)切酶時(shí)，他沒有采用任何花哨的生物技術(shù)，僅僅是進(jìn)行了精確的黏度測(cè)量。從病毒中提取DNA，并將其混入到細(xì)菌內(nèi)部，他觀察到DNA溶液的黏度隨時(shí)間降低；流動(dòng)變快的溶液就意味著DNA在細(xì)菌內(nèi)部被一種酶切斷了。史密斯因此獲得了1978年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，而這都是基于一個(gè)簡單而極具物理洞察力的黏度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，想想就令人心生敬畏。

DNA和納米技術(shù)

絕對(duì)不止我一人看到DNA具有充當(dāng)先進(jìn)聚合物材料的潛力，而不僅僅是充當(dāng)遺傳物質(zhì)。在過去的20年里，研究者們已經(jīng)開發(fā)了很多新的DNA材料，例如水凝膠和納米支架。這些材料能夠利用DNA特殊的信息編碼功能實(shí)現(xiàn)骨頭、器官、皮膚和細(xì)胞的再生長。最近，“DNA折紙”技術(shù)被發(fā)展起來，DNA鏈上的遺傳信息被存儲(chǔ)到DNA的三維結(jié)構(gòu)中(圖3(a))。實(shí)際上，我們甚至可以看到DNA做成的納米機(jī)器人或納米機(jī)器了。

圖3 用 DNA 創(chuàng)造新結(jié)構(gòu)。

(a)DNA折紙是指將單條DNA通過搭建“腳手架”的方式(左邊)折疊成復(fù)雜的二維或三維結(jié)構(gòu)(如笑臉結(jié)構(gòu)，右邊)的藝術(shù)。過程中會(huì)用到數(shù)百個(gè)“訂書針”，它們都是些短的DNA單鏈片段，能夠和DNA“腳手架”上的片段進(jìn)行特定的配對(duì)(中間)；(b)由DNA和限制性內(nèi)切酶制成的智能響應(yīng)型凝膠；(c)由環(huán)形DNA連接而成的“奧運(yùn)凝膠”?？梢酝ㄟ^DNA質(zhì)粒(環(huán)形DNA)在拓?fù)洚悩?gòu)酶作用下的自組裝來獲得

讓我對(duì)這一領(lǐng)域興奮不已的是，蛋白質(zhì)可以及時(shí)改變DNA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這就使得DNA溶液可以充當(dāng)新型“拓?fù)浠钚浴辈牧希憫?yīng)外界刺激。這些溶液和納米材料會(huì)利用DNA的信息存儲(chǔ)能力形成復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)或雜化支架結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)具有特殊蛋白賦予的響應(yīng)性、可塑性和精確性(圖3(b))。例如，加入限制性內(nèi)切酶能夠在特定的序列處將DNA切斷，這樣就可以在不再需要DNA支架的時(shí)候?qū)⑵浣到?。這一點(diǎn)非常有用！當(dāng)DNA支架被用來幫助患者體內(nèi)骨頭再生時(shí)，一旦骨頭再生完成，DNA支架就可以被降解。

同時(shí)，將拓?fù)洚悩?gòu)酶加入到一堆DNA質(zhì)粒(環(huán)狀DNA)就能產(chǎn)生凝膠，環(huán)形DNA交聯(lián)成像奧運(yùn)五環(huán)一樣的結(jié)構(gòu)(圖3(c))。盡管在實(shí)驗(yàn)室里經(jīng)過了數(shù)十年的努力，也沒有合成這些“奧運(yùn)凝膠”結(jié)構(gòu)，但大自然在數(shù)百萬年前就能那么做了。

事實(shí)上，我驚奇地發(fā)現(xiàn)，一種名叫錐蟲的單細(xì)胞生物把它們的存在和奧運(yùn)凝膠聯(lián)系了起來。特別是，它們的部分基因呈現(xiàn)的就是巨網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)里每一個(gè)DNA微環(huán)連接著周邊其他3個(gè)微環(huán)，形成的結(jié)構(gòu)看起來就像是中世紀(jì)的鏈甲片。更令人著迷的是，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以進(jìn)行不斷拆分，也可以由組成單元按照正確的方式來組裝形成。

尋根究底的跨學(xué)科研究

除了對(duì)科學(xué)本身的興趣之外，研究生物結(jié)構(gòu)也幫助我們?cè)O(shè)計(jì)新一代自組裝拓?fù)洳牧?。這些復(fù)雜的基于DNA的材料具有非常好的應(yīng)用前景。不過為了取得更多的進(jìn)展，我們需要跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)，包括物理學(xué)家、化學(xué)家和生物學(xué)家的通力合作。更重要的是，他們的研究工作還尋根究底，去探索一些未知的基本規(guī)律，而不僅僅是試圖解決工業(yè)上遇到的某些特定技術(shù)問題。

這方面一個(gè)成功的事例就是，在英國創(chuàng)立了由物理學(xué)家湯姆?麥克利舍負(fù)責(zé)的“生命網(wǎng)絡(luò)的物理”，可看出這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)受到英國研究委員會(huì)的重視。盡管剛剛起步，我希望它將受到穩(wěn)定的、長期的、多學(xué)科領(lǐng)域的支持。英國物理研究所的生物物理課題組創(chuàng)刊了“Physics World”，它也在鼓勵(lì)更多的課題組在軟物質(zhì)和生物物理的交叉領(lǐng)域里加強(qiáng)多學(xué)科的合作方面發(fā)揮重要作用。

然而，我們?nèi)匀恍枰喔哔|(zhì)量刊物能夠意識(shí)到這類跨學(xué)科研究的重要性，跨越傳統(tǒng)學(xué)科界線的研究非常重要。這一個(gè)令人激動(dòng)的領(lǐng)域，不管在哪里開展研究，它都會(huì)讓人們每天都能學(xué)到新的東西。我希望，在未來的10到20年里，科學(xué)工作者們?cè)陂_始他們的職業(yè)生涯時(shí)，不再感到只能被迫在某一特定領(lǐng)域開展研究，或是只能選擇理論或?qū)嶒?yàn)。相反地，無論他們的科研背景是什么，如果他們能夠做一些滿足自己科研好奇心的研究，那將是非常棒的！如果他們能夠那么做的話，誰又能想到接下來我們會(huì)發(fā)現(xiàn)什么呢？

編輯：jq