從微觀構件設計鉆石晶格和其他晶體的新方法

流行的聯鎖積木LEGOS可以產生令人印象深刻的建筑形式。所需要的只是孩子的想象力，以構造幾乎無限多種復雜形狀。

在《物理評論快報》上發表的一項新研究中，研究人員描述了一種在數十億分之一米的尺度上使用類樂高元素的技術。此外，他們能夠使這些設計元素動聽，以進行自我組裝，每個樂高積木確定其適當的配合并以精確的順??序連接起來，以完成所需的納米結構。

雖然這項新研究中描述的技術是在計算機上模擬的，但是該策略適用于DNA納米技術領域常見的自組裝方法。在這里，每個樂高積木的等效物都由DNA構成的納米結構組成，DNA是我們遺傳密碼的著名分子庫。根據可靠的規則，組成DNA的四個核苷酸(通常標記為A，C，T和G)會相互粘附：一個核苷酸始終與Ts配對，而C核苷酸始終與Gs配對。

利用堿基配對特性，這項新研究的通訊作者Petr Sulc等研究人員可以設計可在試管中成型的DNA納米結構，就像在自動駕駛儀上一樣。

蘇爾克說：“如何設計構件之間的相互作用的可能方法很多，這就是所謂的'組合爆炸'。” “不可能單獨檢查每個可能的構建塊設計，看看它是否可以自我組裝成所需的結構。在我們的工作中，我們提供了一個新的通用框架，可以有效地搜索可能的解決方案的空間并找到能夠自我解決的方案。 -組裝成所需的形狀，并避免其他不希望的組裝。”

Sulc是分子設計和仿生生物設計中心和ASU分子科學學院(SMS)的研究員。他的同事LukášKroc以及來自意大利的國際合作者Flavio Romano和John Russo也加入了他的行列。

這項新技術標志著DNA納米技術飛速發展的重要墊腳石，自組裝形式正逐漸出現在從納米鑷子到尋找癌癥的DNA機器人的各個方面。

盡管取得了令人矚目的進步，但依靠分子自組裝的構建方法不得不與建筑材料的意外粘合相抗衡。挑戰隨著預期設計的復雜性而增加。在許多情況下，研究人員困惑于為什么某些結構會從給定的基本構件中自動組裝，因為對這些過程的理論基礎仍知之甚少。

為了解決這個問題，Sulc和他的同事發明了一種聰明的顏色編碼系統，該系統設法將堿基配對限制為僅在最終結構的設計藍圖中出現的堿基配對，并禁止其他堿基配對。

該過程通過定制設計的優化算法進行工作，其中用于預期形式自組裝的正確顏色代碼以最小的能量產生目標結構，同時排除競爭結構。

接下來，他們使用計算機設計了對光子學領域非常重要的兩種晶形：燒綠石和立方金剛石，從而使該系統正常工作。作者注意到，這種創新方法適用于任何晶體結構。

為了應用他們的理論框架，Sulc與Biodesign和SMS的同事Hao Yan和Nick Stephanopoulos教授開始了新的合作。他們共同致力于通過實驗實現他們能夠在仿真中設計的某些結構。

Sulc說：“雖然我們框架的明顯應用是在DNA納米技術中，但我們的方法是通用的，也可以用于例如從蛋白質設計自組裝結構。”