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院士Talk·樊春海 | 我有一根长长长长长长的DNA,和一些短的DNA,你想要什么图案?我给你织!



院士Talk·樊春海 | 我有一根长长长长长长的DNA,和一些短的DNA,你想要什么图案?我给你织!

我们都熟悉DNA这个名词,知道DNA是生命的编码。但你知道它可以像毛衣一样被编织、像乐高一样被组装吗?


这项技术叫DNA折纸术


与传统的DNA组装技术不同,DNA折纸术通过将一条长的DNA单链,与一系列短DNA片段进行碱基互补,就能可控地构造出高度复杂的纳米图案或结构。


2006年,一位名叫Rothemund的美国科学家用一条具有7000个碱基对的DNA长链,弯曲、折叠出一个笑脸。在我国科学家的努力下,同年,上海交通大学 BioX中心DNA计算机交叉团队基于DNA折纸术原理构造出了具有非对称的图案,成为该领域的第二项成果。


DNA折纸术是一门什么样的技术?


它如何投入应用、造福人类?


作为一位横跨生物、化学、物理的学科交叉大牛,这种跨领域的科研生活,于他是怎样的体验?


参与“DNA折纸术”研究的科学家之一、中科院院士樊春海向我们讲述了科学家将DNA作为新材料的有趣故事,以及学术交叉给科学研究带来的有益经验。


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樊春海

上海交通大学化学化工学院

王宽诚讲席教授

中国科学院院士


我们都知道核酸DNA是我们的遗传物质,它由四个字母组成:AGTC。我们可以把它看作一个四进制的世界,就像我们计算机里面的0和1,只不过它是二进制,编码了我们的虚拟世界。


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1和0编码了虚拟世界,而AGTC编码了生命,它们就像代码一样可被编码,而我们每个人都是由AGTC写成的代码


在自然界里,DNA并不仅仅以双螺旋的形式存在,而是有各种各样形态的DNA和RNA核酸,有环形的,有棒状的等。


但是我作为一个化学家,想的是我们能不能合成出新的物质,创造自然界所没有的东西。


我们可以看到在下面一排,就是化学家创造出来的新的核酸形态:有各种四面体的,有笑脸的等,某种程度上已经超越了自然界的形态。


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科学家创造出自然界不存在的核酸形态


这个笑脸是美国科学家在2006年首先做出来的,这是我们现在称为DNA折纸术的技术,就是不把遗传物质DNA当一个生命物质,而是当作材料使用,把AGTC编织出美丽的形状,可以说是科学和艺术的完美融合。


在06年的时候,我们就去了解DNA折纸技术。


什么是DNA折纸?


“DNA折纸”这个名字,某种程度上是美国人起错了。实际上,它就像织毛衣的过程一样,我们的DNA可以被看作是一根很柔软的毛线,当它和几百条短链片段碰撞、组装在一起时,它就像毛线一样被编织成所要的形状。


这位老外不了解织毛衣,他认为这是折纸,所以他把这项技术命名为折纸。这是一个错误的开始,但是它带来了美丽,带来了一整个领域的繁荣。


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樊春海院士在造就舞台讲解「DNA折纸术」


我们想,笑脸是一个对称的,所以我们就做了一个不对称的。当时我们跟上海交通大学的贺林院士等一起合作。这个不对称图形,我们做的是中国地图,后来成为这个领域第二个发表的成果。


现在,我们已经可以用DNA折纸术把我们的遗传物质做成各种各样的形态。比如说这只熊猫。


这是示意图,熊猫里面每一个像素仍然是我们的中国地图。这是一个非常带有我们中国特征、中国元素的图案,是用DNA编织而成的图案。


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中国于2006年利用DNA折纸术构造了非对称性图案——一个仿中国地图的图案。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。


从06年到现在已经有十几年的时间了,在这个过程当中,我们整个领域的人都一直在想,我们现在可以做各种各样一维的、二维的、三维的形状,就像3D打印一样——不过这是纳米世界的3D打印,它只有100个纳米大小。我们能拿这些形状来做什么?


我们发现,可以做这样一个框架结构。


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在唐代,人们就懂得利用框架结构来造房子


在宏观世界里,我们最有用的材料之一就是框架材料,像我们现在的房子。事实上,早在唐朝的时候,房子就是由框架组成的。


所以我们就想,是不是可以在纳米世界里面,把DNA的AGTC这四个字母编码出这样一些框架物质来,那我们就可以构造整个纳米世界。


框架为什么是有用的,老子在《道德经》里讲了一句话,我觉得可以非常好地描述这样一件事:“有之以为利,无之以为用。”


如果没有这样一些框架的话,我们在座的都只能风餐露宿;房子一定得是框架结构,如果房子是实心的话,我们就没有办法住了;一定是空屋才能住人,所以“无”才能有用。


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有之以为利,无之以为用


中国哲学非常伟大,它完美地把辩证关系阐述清楚——一定要有,才能有之以为利,一定要无,才能无之以为用。


那么这样一些纳米世界的框架材料有什么用处?


我们的房子可以住人,而纳米世界里的DNA框架材料,我们可以让它住上一些生物的分子,比如说我们的核酸本身,核酸适体,我们的抗体、蛋白质、酶等。


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樊春海在造就演讲


这些生物分子和它的分子识别过程,核酸的识别,核酸-蛋白的识别,蛋白-蛋白的识别,是我们生命过程的基础,使我们可以说话,可以行动。


但同时,我把它拿出来,拿到体外,这也就是我们现在生物工程的基本工具,包括基因检测,包括免疫检测,包括现在非常时髦的基因治疗、免疫治疗,都离不开一些最基本的分子工具。现在,我们可以让它住到这样一个纳米世界的房子里面。


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分子识别是生命活动的基础,也是生物工程(如PCR、 免疫检测、基因治疗、免疫治疗)的基本工具


我们在去年提出了这样一个定义,把用DNA做成的框架称为框架核酸。


这是一类人工设计的结构核酸,它的尺寸、形貌和力学特性可以程序性调控,也就是我们通过AGTC这四个字母的编程,可以非常精准地控制它的尺寸,控制它的形貌,控制它的力学特性,就像鸟巢一样。


这样就为分子识别的一些元件,比如核酸蛋白抗体等,提供了结构支撑,从而可以使得我们做更好的癌症早期检测,做更好的癌症治疗,或者为像老年痴呆这样的神经退行性疾病的诊疗提供更好的工具


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这就是我们主要在做的事情


我们希望跟医院合作,用这样一些框架核酸搭成的基本工具来做部分治疗和诊断的工作,特别是我们跟仁济医院做的前列腺癌早期诊断方面,取得了不少进展。


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《化学求索之路》中樊春海撰写的部分


我们也把这样一个学术思想总结在今年国际Nature Chemistry《自然·化学》杂志上。它在创刊十周年之际邀请了国际上50多位科学家共同撰写《化学求索之路》,共同探讨在化学领域还有什么基本课题可以做。


我们写了这样一个条目:我们不是用DNA的遗传信息,而是它的结构信息,利用它的三维结构来为我们生命本身服务。


这就是我现在主要的工作,这个过程当中,涉及到生物,涉及到化学,涉及到物理,需要很多学科交叉。


我的本科是在南京大学生物化学系毕业的,我的博士学位也是生物化学与分子生物学,这也是为什么我会做化学会做一点物理。


我当时的导师朱德煦先生,他是我们国家比较早开拓生物化学工业的创始人,而另外一位副导师李根喜教授,他的导师陈洪渊先生是化学系的,他是我们国家生命分析化学这样一个概念的创导者。


正是因为在这三位导师的指导下,我们当时非常致力于用化学的工具来研究生物学。我在本科和研究生阶段,就注入了这样一个观念:我们要在学科交叉的这样一个界面上面,来开展工作。我当时的博士论文,就是用电化学方法来检测蛋白质。


2000年博士毕业之后,我看到一个消息,艾伦·黑格教授获得了2000年的诺贝尔化学奖,这是当时的他跟瑞典国王合影的照片,他夫人是一位艺术家,他们两位的结合也是科学与艺术的结合。


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艾伦·黑格教授瑞典国王合影


黑格教授是一位物理学家,他得的是化学奖。我想这非常好,我正好是用化学的方法来做生物学,我就跟黑格教授联系,然后就到了美丽的圣芭芭拉校园学习。


这个学院被誉为美国最漂亮的校园,它正好在海边。在黑格教授的办公室,你就可以看到大海。我在那里用电化学技术检测核酸检测DNA,发明了一个叫E-DAN的传感器,我们可以用它来检测基因,做基因检测,我们也可以用它来检测防伪。


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E-DAN的传感器


我们写了一篇文章发表在《物证科学通讯》,也被一些国际上的顶级专家认为是一个比较重要的工作。这是我博士后期间的事情。


03年的圣诞节,我回国了,到上海应用物理研究所里参加答辩,答辩的第二天就听说我们上海光源已经获批了,04年1月份就动工。我非常激动地加入了上海应用物理研究所。


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上海同步辐射光源:2004年1月动工;2009年落成


上海光源不仅是上海的一张名片,也是我们中国的骄傲,在国际上引起了轰动。09年,上海光源建成。ScienceNature杂志就报道说,中国加入了国际同步辐射俱乐部。这给我们的感觉就像中国加入了核俱乐部一样。有这样一个全国最大的科学装置作为支撑,我们拥有了最为先进的物理学手段,使我们可以去研究生物分子,去探讨我刚才说的这样的一些框架核酸。


如果用高强度的X光,用小角散射技术,我们可以看到它在溶液里面是长什么样子?它是怎么演化演变的?正是有这样一些支撑,使我可以在学科交叉的边缘上面来开展工作。


当然我觉得可能同样重要,或者更为重要的一件事情是,我们上海光源的落成,使我们看到中国也可以做出全世界最一流的设施,我们在这样一流的地方来工作,我们要对得起这样一个设施。


在我们研究所里面,一直有这样一个氛围。如果我们做不到全世界最好,那我们可能就不一定要做了。


我希望跟我们在座的年轻科学家说,现在我们有这么好的条件,我们有非常好的人才,我们一定要做出全世界最为原创的工作,我们要勇于跟国际上最先进的团队竞争,不仅要跟他们并行,而且要领导他们!





“院士Talk”是由上海市人才工作协调小组办公室、上海市科技工作党委、上海市教卫工作党委联合主办的系列演讲活动,每期由一家单位负责承办。


院士Talk定期邀请中国科学院和中国工程院院士进行专题演讲,旨在面向广泛的社会公众作最前沿的科学知识普及,同时展现卓越的科学家精神。





文字 | 程睿;校对 | 黄一成
视频 | Eddie;版面 | 尹欢欢


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互动话题:你认为DNA折纸术会给人类带来哪些福祉与不确定性?


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《院士Talk·樊春海 | 我有一根长长长长长长的DNA,和一些短的DNA,你想要什么图案?我给你织!》原文地址:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwNTcyNDU5MQ==&mid=2657169786&idx=1&sn=9f784b9f679a72f1f34b2a7cf8dcebc6&chksm=808dd1bab7fa58aceb14d7542bf4866df2e2d070879f3c1621c974d16053f8dd9363d4f112c4

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