DNA是所有生命的蓝图，它给予从单细胞的细菌到复杂的人类等生命体有关的指示并赋予相关的功能。现在，美国西北大学的研究人员报道说，他们已经以DNA作为蓝图、承造者与建筑工来构建一个由无生命物质黄金所组成的三维结构。

 

研究人员只用一种纳米粒子（黄金）来构建2种常见但又迥然不同的晶体结构，而其方法只是改变一样东西——即附着在黄金微球体上的合成DNA的股束。在DNA股束中的不同DNA序列导致了不同晶体的形成。

 

该项技术在1月31日的《自然》（Nature）杂志上作为封面故事发表，它反映的是一项为期10年以上的研究工作，它是应用可编程自我组装技术向构建功能性“设计师标示”材料所迈出的重大且根本性的一步。这一“由下至上的”方法使科学家能够采用无机材料构建具有特殊性质的物质结构并应用于诸如治疗、生物诊断、光学、电子学或催化作用等方面。

 

大多数的宝石，如钻石、红宝石和蓝宝石皆为结晶状无机物质。在每一种结晶状结构中，各个原子都处在精准的位置状态，这赋予了该类物质中的每一种其独特的性质。钻石之著名的硬度及折射性源自其结构 —— 即每个碳原子所处的精准的位置。

 

在西北大学的这一研究中，纳米粒子取代了原子。这一研究工作的新颖之处是，研究人员用的是DNA来驱动晶体的集结。对DNA股束中As, Ts, Gs 及 Cs（腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤及胞嘧啶）序列的改变可以更改晶体结构的蓝图，乃至其形状。在《自然》杂志中所报道的2种结晶体皆由黄金组成，但因为黄金颗粒排列方式的不同而具有不同的性质。

 

该篇文章的资深作者之一Chad A. Mirkin是温伯格艺术与科学学院（Weinberg College of Arts and Sciences）的化学、医学及材料科学与工程学教授，他说：“作为纳米科学家，我们现在更接近了一个梦想，即了解如何将每种物质分解成基础性的组建模块，对我们来说就是纳米粒子，并将它们重新组装成为我们所需的有特定用途性质的任何结构。”除了 Mirkin之外，, George C. Schatz, Morrison Professor of Chemistry指导了这项研究工作。

 

通过改变在纳米粒子表面DNA的类型，西北大学的研究团队能够将这些粒子在空间进行不同的排列。最终形成的结构是那些能够将DNA杂合进行最大化的结构。DNA是一种稳定性的力量，是一种能将该结构集结在一起的黏胶。Mirkin说：“这些结构是一种新的物质形式，而些种物质，即使不是完全不可能，也是用其它任何的方法难以制备的。”

 

他将该过程比喻为建筑一座房子。建筑开始于应用基本的材料，如砖块、木材、墙板、石材及木瓦，而一个建筑队可以用相同的组建模块建造出不同类型的房屋。在西北大学的这一研究工作中，DNA控制着组建模块（在此为黄金纳米粒子）在最终结晶体结构中的位置，并使其以某种功能性的方式来排列这些颗粒。DNA在无需研究人员必须干预的情况下从事着所有的艰巨工作。

 

Mirkin, Schatz及他们的研究团队所用的仅是一种组建模块，即黄金微球体。但是，随着这一方法的进一步发展，人们可以利用众多不同大小的组建模块，而这些组建模块具有不同的成分（例如：黄金、白银及荧光粒子）及不同的形状（球体、杆状体、立方体及三角体）。控制每个纳米粒子之间距离的长短也是决定该结构功能的关键。

 

Mirkin是西北大学国际纳米技术研究所的主任，他说：“一旦人们精于此道之后，人们可以构建任何想要的东西。”

 

Schatz说：“但是，掌控自行组装过程的法则仍然不为人知，而决定如何将纳米粒子结合到有趣的结构之中将是这一领域中的艰巨挑战之一。”

 

西北大学的研究人员以黄金纳米粒子（直径15纳米）作为开始，将双股DNA附着于每个粒子，而每个DNA的双股中，一股比另外一股明显要长。该DNA的单股部分作为“连接DNA”而会向外搜索与其互补的附着在另一黄金纳米粒子上的单股DNA。两个单股连接DNA的相互结合成就了DNA的双螺旋结构，从而将这些纳米粒子相互紧密地结合在了一起。

 

每个黄金纳米粒子表面都附着有多股的DNA，因此该纳米粒子会伸向许多不同的方向进行结合，因而导致一种三维结构——即一种结晶体的形成。由研究人员编程的某种连接DNA序列会导致某种类型的结晶体结构，而另一种不同的连接DNA序列会导致另外一种不同的结晶结构。

 

Schatz说：“我们甚至发现一例相同的连接DNA产生了不同的结晶结构，而这种情况取决于这些粒子混合时的温度。”

 

利用由Argonne National Laboratory 的先进光源同步加速器所产生的极为强烈的X-射线配上计算机模拟，研究团队对这些结晶体进行了影像学研究以确定整个晶体结构中各个粒子的准确位置。最终的晶体中有大约1百万个纳米粒子。

 

Mirkin说：“科学家花了数十年的研究来了解怎样合成DNA。现在我们已经知道如何应用在体外合成的DNA来将无生命的物质排列成有用的物质，这确实是十分引人入胜的。”（来源：EurekAlert!中文版）