DNA折纸术，是一门什么样的技术？

本文来自微信公众号：造就（ID：xingshu100），演讲者：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），原标题：《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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

《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。

艾伦·黑格教授与瑞典国王合影

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。

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。

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。Science和Nature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！

本文来自微信公众号：造就（ID：xingshu100），演讲者：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）