作者：司自卫 （软物质研究院18级博士生）

指导：张　维　（软物质研究院特聘研究员）

　　从蛋白质分子折叠，细胞膜形成，甚至于地球整个生物体系的构建，自组装无处不在。人类可以多大程度模仿生物系统的复杂性和功能性，一直吸引着无数科研工作者为之着迷。DNA是超分子自组装的典型，它具有编程性，稳定，通过编程设计，可以自组装成不同形状的聚集体。 

图1 DNA折纸术《笑脸》

　　图1这些类似微信表情包里面的笑脸小黄人，尺度大小只有100nm，是利用DNA片段碱基互补原理，将特定位置修饰过的DNA片段放在溶液里搅拌，自然而然的形成设计的图案，这一过程被称为自组装。分子自组装是指分子在热力学平衡条件下，通过化学键自发组合形成结构稳定、复杂有序、具有某种特定功能的分子聚集体或超分子结构的过程。2006年，加州理工大学教授Othemund[1]首次提出了一种全新的DNA自组装方法---DNA折纸术(Origami)，通过DNA长链和短链的共同折叠，构造出所需要的图形结构。同时还可以在短的DNA单链上添加茎环，在构造的二维形状表面上组合出各种特定的图案，这篇登上Nature杂志封面的论文也为他赢得了“DNA笑脸之父”的称号。

　　DNA折纸术通过设计一系列过量的短DNA单链（称为订书钉链，Staples strand），把它们和一条长的DNA单链（脚手架链，scaffold chain）在一个试管里面混合。如图２所示，长链a是脚手架链，短链b是订书钉链。通过这种长链与可编程的短链在特定位置的互补，从而使脚手架链和订书钉链共同折叠出所需要的二维结构。

图2 DNA折纸术示意图

　　随后的研究中，科研工作者将短链的编程设计工作交给计算机。目前，利用DNA折纸设计可以实现自由绘制形式的结构，只需告诉计算机输出我们所需的目标内容。通过计算机编程设计，科研工作者实现了三维结构DNA链段的自组装折叠形成更为精细的结构。麻省理工大学科研团队[2]运用新方法让DNA自己画出了世界上最小幅的《蒙娜丽莎的微笑》。

图3 DNA折纸术《蒙娜丽莎的微笑》

　　上海交通大学Bio-X中心DNA计算机交叉团队，基于DNA折纸术原理构造了具有非对称性的图案[3]，通过AFM成像可以观测到清晰的纳米级形状。

图4 DNA仿中国地图主体部分AFM图像

　　该结构是首个通过DNA折纸术构建的非对称图形，克服了不对称图形带来的应力问题。该实验证明，运用DNA折纸术的方法，可以构造出非对称的复杂的二维形状。他们进一步推断DNA折纸术具有构造几乎任何复杂二维纳米级形状的能力。

　　在Science创刊125周年的时候提出了目前科学界关注的125个问题，其中“化学自组装能达到何种程度”位列最重大的二十五个问题之一: How Far Can We Push Chemical Self-Assembly? [4]， 这正是分子自组装的研究方向，人们已经不再满足于早年的研究小分子间非共价相互作用，而着眼于让所设计的分子能自发的多级组织成有序结构，实现所期望的功能。DNA折纸术为建立可编程图案的纳米结构提供了一条非常有前景的路线，为基于自下而上的纳米构造技术提供了新方法。所构建的图形相比传统的DNA自组装其复杂度可以高出数倍，且具有实验操作简单、流程化、反应速度快、条件要求低等优点，展现了DNA折纸术非凡的自组装能力。

参考文献：

1.Nature, 2006, 440, 297-302

2.Nature, 2017, 552, 67–71

3.Chinese Science Bulletin, 2006, 51, 2973—2976

4.Science, 2005,309, 95