我科學(xué)家用DNA鏈繡出直徑150納米中國(guó)地圖
用一根2.4微米長(zhǎng)——相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的1／40——的天然DNA單鏈當(dāng)“線”，“繡”出一幅直徑150納米、分辨率6納米的“中國(guó)地圖”，2006年最后一期《科學(xué)通報(bào)》刊登的這一成果，標(biāo)志著我國(guó)已掌握用DNA分子構(gòu)筑高度復(fù)雜性納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)。
據(jù)悉，上海交通大學(xué)Bio-X中心DNA計(jì)算機(jī)交叉團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所科技人員合作構(gòu)造的這幅DNA納米結(jié)構(gòu)“仿中國(guó)地圖”，長(zhǎng)150納米、寬120納米、厚2納米，分辨率高達(dá)6納米，人眼必須通過(guò)原子力顯微鏡才能看見(jiàn)它。
論文第一作者、上海交大Bio-X中心博士研究生錢(qián)璐璐介紹，DNA分子不僅是生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也是材料科學(xué)的“潛力股”，一直被科學(xué)家視作塑造納米材料的理想素材。1989年，美國(guó)紐約大學(xué)教授Seeman首次提出利用DNA鏈的黏性末端將DNA由小單元拼接成大圖形的方法。這種“1.0版”的DNA自組裝結(jié)構(gòu)，能“繪制”十字網(wǎng)格等簡(jiǎn)單圖形，但面對(duì)稍復(fù)雜些的圖形就束手無(wú)策。2006年3月，美國(guó)加州理工學(xué)院的Rothemund發(fā)明DNA“折紙術(shù)”：將長(zhǎng)鏈反復(fù)折疊，用短鏈加以固定，由此就能“繪”出方形、矩形、五角星、笑臉等一系列對(duì)稱(chēng)的DNA圖形。
由中科院院士、上海交大Bio-X中心主任賀林領(lǐng)銜的研究小組，采用Rothemund的DNA“折紙術(shù)”，用長(zhǎng)、短兩種DNA單鏈構(gòu)建仿中國(guó)地圖。他們將一根由約7000個(gè)核苷酸組成的DNA長(zhǎng)鏈通過(guò)水平方向反復(fù)折疊，填成中國(guó)地圖的形狀，再將多根由約32個(gè)核苷酸組成的DNA短鏈用作“訂書(shū)釘”，利用堿基互補(bǔ)的原理在適當(dāng)?shù)奈恢蒙橡ず?、固定折疊好的“地圖”。由于事先對(duì)DNA鏈的序列通過(guò)計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)，當(dāng)這些長(zhǎng)長(zhǎng)短短的DNA鏈被放到同一杯溶液中，一瞬間就自動(dòng)配起對(duì)來(lái)，通過(guò)原子力顯微鏡成像，納米級(jí)的“中國(guó)地圖”順利誕生于溶液之中。
錢(qián)璐璐指出，由于目前的技術(shù)手段仍有一定的限制，他們構(gòu)建的DNA“仿中國(guó)地圖”并不完全符合中國(guó)實(shí)際版圖，例如還無(wú)法“繪”出臺(tái)灣島、海南島等島嶼與大陸的海面分離以及南海諸島。但她表示，科學(xué)家在此之前曾用DNA折疊出數(shù)種圖形，但都不曾達(dá)到如此復(fù)雜的程度，更不曾嘗試過(guò)這種非對(duì)稱(chēng)的二維形狀；DNA“仿中國(guó)地圖”的繪制，證實(shí)了DNA“折紙術(shù)”可構(gòu)造幾乎任意的二維納米級(jí)圖形。
賀林指出，該項(xiàng)成果有助于解決集成電路產(chǎn)業(yè)目前在最小加工尺度上遇到的瓶頸，觸發(fā)納米加工的新革命。他說(shuō)：“我們未來(lái)預(yù)期用DNA分子‘繪制’各種形狀的電子元器件，再通過(guò)引導(dǎo)金屬顆粒在DNA分子表面的聚集，使目前電子線路間近乎65納米的最小間距縮小到6納米左右。”這意味著，通過(guò)對(duì)DNA分子可控排布的操作，有望使目前集成電路發(fā)展的線寬瓶頸再次獲得突破。
據(jù)介紹，上海交大Bio-X中心DNA計(jì)算機(jī)交叉團(tuán)隊(duì)目前正和中科院上海應(yīng)用物理研究所的研究者圍繞這一科學(xué)問(wèn)題聯(lián)合攻關(guān)，著手研究通過(guò)控制DNA分子的手段加工更加精細(xì)的電子器件。
據(jù)悉，上海交通大學(xué)Bio-X中心DNA計(jì)算機(jī)交叉團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所科技人員合作構(gòu)造的這幅DNA納米結(jié)構(gòu)“仿中國(guó)地圖”，長(zhǎng)150納米、寬120納米、厚2納米，分辨率高達(dá)6納米，人眼必須通過(guò)原子力顯微鏡才能看見(jiàn)它。
論文第一作者、上海交大Bio-X中心博士研究生錢(qián)璐璐介紹，DNA分子不僅是生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也是材料科學(xué)的“潛力股”，一直被科學(xué)家視作塑造納米材料的理想素材。1989年，美國(guó)紐約大學(xué)教授Seeman首次提出利用DNA鏈的黏性末端將DNA由小單元拼接成大圖形的方法。這種“1.0版”的DNA自組裝結(jié)構(gòu)，能“繪制”十字網(wǎng)格等簡(jiǎn)單圖形，但面對(duì)稍復(fù)雜些的圖形就束手無(wú)策。2006年3月，美國(guó)加州理工學(xué)院的Rothemund發(fā)明DNA“折紙術(shù)”：將長(zhǎng)鏈反復(fù)折疊，用短鏈加以固定，由此就能“繪”出方形、矩形、五角星、笑臉等一系列對(duì)稱(chēng)的DNA圖形。
由中科院院士、上海交大Bio-X中心主任賀林領(lǐng)銜的研究小組，采用Rothemund的DNA“折紙術(shù)”，用長(zhǎng)、短兩種DNA單鏈構(gòu)建仿中國(guó)地圖。他們將一根由約7000個(gè)核苷酸組成的DNA長(zhǎng)鏈通過(guò)水平方向反復(fù)折疊，填成中國(guó)地圖的形狀，再將多根由約32個(gè)核苷酸組成的DNA短鏈用作“訂書(shū)釘”，利用堿基互補(bǔ)的原理在適當(dāng)?shù)奈恢蒙橡ず?、固定折疊好的“地圖”。由于事先對(duì)DNA鏈的序列通過(guò)計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)，當(dāng)這些長(zhǎng)長(zhǎng)短短的DNA鏈被放到同一杯溶液中，一瞬間就自動(dòng)配起對(duì)來(lái)，通過(guò)原子力顯微鏡成像，納米級(jí)的“中國(guó)地圖”順利誕生于溶液之中。
錢(qián)璐璐指出，由于目前的技術(shù)手段仍有一定的限制，他們構(gòu)建的DNA“仿中國(guó)地圖”并不完全符合中國(guó)實(shí)際版圖，例如還無(wú)法“繪”出臺(tái)灣島、海南島等島嶼與大陸的海面分離以及南海諸島。但她表示，科學(xué)家在此之前曾用DNA折疊出數(shù)種圖形，但都不曾達(dá)到如此復(fù)雜的程度，更不曾嘗試過(guò)這種非對(duì)稱(chēng)的二維形狀；DNA“仿中國(guó)地圖”的繪制，證實(shí)了DNA“折紙術(shù)”可構(gòu)造幾乎任意的二維納米級(jí)圖形。
賀林指出，該項(xiàng)成果有助于解決集成電路產(chǎn)業(yè)目前在最小加工尺度上遇到的瓶頸，觸發(fā)納米加工的新革命。他說(shuō)：“我們未來(lái)預(yù)期用DNA分子‘繪制’各種形狀的電子元器件，再通過(guò)引導(dǎo)金屬顆粒在DNA分子表面的聚集，使目前電子線路間近乎65納米的最小間距縮小到6納米左右。”這意味著，通過(guò)對(duì)DNA分子可控排布的操作，有望使目前集成電路發(fā)展的線寬瓶頸再次獲得突破。
據(jù)介紹，上海交大Bio-X中心DNA計(jì)算機(jī)交叉團(tuán)隊(duì)目前正和中科院上海應(yīng)用物理研究所的研究者圍繞這一科學(xué)問(wèn)題聯(lián)合攻關(guān)，著手研究通過(guò)控制DNA分子的手段加工更加精細(xì)的電子器件。
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