最近，DNA已被用于制造納米器件，其在醫(yī)學(xué)、納米制造、合成生物學(xué)、生物傳感和生物物理學(xué)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。最近頻頻登上Nature Materials、Nature Chemistry等頂級期刊。而且科學(xué)家們相信，有朝一日，基于DNA的微型機器人和其他納米設(shè)備將在我們體內(nèi)輸送藥物，檢測致命病原體的存在，并幫助制造越來越小的電子產(chǎn)品。但是，當前的DNA納米器件主要依賴于幾何設(shè)計，而合理設(shè)計功能特性（例如力響應(yīng)或致動行為）仍然具有挑戰(zhàn)性。而且這通常也需要耗費很長的時間去設(shè)計。近日，俄亥俄州立大學(xué)Carlos E. Castro、Haijun Su等人開發(fā)一種新工具——稱之為MagicDNA的軟件，該新工具可以在短短的時間內(nèi)，設(shè)計出比以往更復(fù)雜的DNA機器人和納米設(shè)備。具體而言，通過結(jié)合電腦輔助計算，研究人員介紹了一種混合設(shè)計方法，該方法結(jié)合了自下而上和自上而下的方法，以提供高水平的結(jié)構(gòu)多樣性，擴展了復(fù)雜設(shè)計的范圍，并實現(xiàn)了機械和動態(tài)特性的工程設(shè)計。這種混合框架利用了從單個核苷酸水平到大型復(fù)雜DNA裝配體的多個規(guī)模的設(shè)計。成果發(fā)表在Nature Materials上。方法更簡便、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜該軟件可幫助研究人員設(shè)計方法，以獲取微小的DNA鏈，并將其結(jié)合成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并具有諸如轉(zhuǎn)子和鉸鏈之類的部件，這些部件可以移動并完成各種任務(wù)，包括藥物輸送。使用此軟件，可以實現(xiàn)制造具有多達20個組件的機器人和其他設(shè)備變得更加容易，而這些組件更易于控制。這是設(shè)計能夠執(zhí)行研究人員期望執(zhí)行的復(fù)雜動作的納米設(shè)備的能力的重要一步。該軟件具有多種優(yōu)勢，可以幫助科學(xué)家設(shè)計出更好，更有用的納米設(shè)備。1）優(yōu)點之一是，它使研究人員可以真正地以3D方式進行整個設(shè)計。早期的設(shè)計工具僅允許2D創(chuàng)作，這迫使研究人員將其創(chuàng)作映射到3D中。這意味著設(shè)計師不能使他們的設(shè)備過于復(fù)雜。2）該軟件還使設(shè)計人員可以“自下而上”或“自上而下”構(gòu)建DNA結(jié)構(gòu)。在“自下而上”的設(shè)計中，研究人員獲取DNA的各個鏈，并決定如何將其組織成所需的結(jié)構(gòu)，從而可以對本地設(shè)備的結(jié)構(gòu)和屬性進行精細控制。但是，他們也可以采用“自上而下”的方法，在此方法中，他們需要確定整個設(shè)備的幾何形狀，然后自動進行DNA鏈的組裝。將兩者結(jié)合起來可以增加整體幾何形狀的復(fù)雜性，同時保持對單個零件屬性的精確控制。圖|多組分復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計該軟件的另一個關(guān)鍵要素是，它可以模擬設(shè)計的DNA設(shè)備在現(xiàn)實世界中的移動和運行方式。為了證明該軟件的功能，研究人員制備和表征了該軟件設(shè)計的許多納米結(jié)構(gòu)。他們制備的一些設(shè)備包括帶有爪子的機械臂，可以抓起較小的物品，還有100 nm大小的結(jié)構(gòu)，并且構(gòu)造了一個看起來像一架飛機的結(jié)構(gòu)。因此，制造更復(fù)雜納米設(shè)備的能力意味著它們可以做更多有用的事情，甚至可以用一個設(shè)備完成多項任務(wù)。例如，設(shè)計一個DNA機器人，在注入血液后，可以檢測某種病原體，同時還可以通過釋放藥物或捕獲病原體來做出反應(yīng)研究人員展示了一個綜合的框架，該框架結(jié)合了自上而下，自下而上和分層設(shè)計的優(yōu)點。展望未來，這種集成的計算機輔助設(shè)計（CAD）/計算機輔助工程框架(CAE)可以加速下一代分子機器人的發(fā)展。此外，在DNA組件上對金，銀或二氧化硅進行模板化的能力，以及將DNA“掩模”用于光刻的能力，為利用這些新的尺寸和幾何復(fù)雜性水平提供了途徑。此外，借助這種支持CAE的設(shè)計方法，仿真工具的不斷開發(fā)應(yīng)有助于針對目標功能的設(shè)備進行快速設(shè)計。最后，這種新的制造方式為這些復(fù)雜的（多組件，多支架，混合晶格等）組件的折疊途徑、動力學(xué)和熱力學(xué)提出了新的問題。Huang, CM., Kucinic, A., Johnson, J.A. et al. Integrated computer-aided engineering and design for DNA assemblies. Nat. Mater. (2021).https://doi.org/10.1038/s41563-021-00978-5
