http://www.physorg.com/news120920995.html
January 30, 2008
DNA 是所有生命的藍圖，從簡單的細胞到複雜的人類，賦予生物指令與功能。現在西北大學的研究者報告他們將 DNA 當作藍圖，承包商與建築工人，從黃金，一種無生命的物質，建造出 3D 結構。
只利用一種奈米粒子（金），研究者不過改變了一件事 -- 將數股合成的 DNA 附加到微小金球上 -- 就打造出二種常見但相當不同的結晶化結構。在一股 DNA 中，不同的順序會導致不同的結晶形成。
此技術，將發表在 1/31 Nature 的期刊上，成為封面故事並反映出超過十年的研究，是朝著利用可程式自我組裝，打造出一種功能性「設計者」材料，邁進的重要且根本的一步。這種「由下到上的」途徑，將讓科學家利用無機材料並為給定應用打造出具有特殊性質的結構，例如治療學、生物診斷學、光學、電子或結晶學。
大部分的寶石，諸如鑽石、紅寶石與藍寶石，都是無機材料的結晶體。在每個結晶體的結構中，原子都有精確的位置，這賦予每一種材料獨特的性質。鑽石有名的堅硬與折射的特性都起因於它的結構 -- 碳原子的精確位置。
在西北大學的研究中，金奈米粒子替代了原子。這項研究新穎的部份在於，研究者利用 DNA 來驅動結晶體的組裝。改變 DNS 股的 As, Ts, Gs, Cs 順序，就會改變結晶化結構的藍圖，也因此改變了形狀。在 Nature 報告當中的二種結晶體都以金製成，因為粒子以不同方式安排，故具有不同的特性。
"身為奈米科學家，我們現在更接近學習的夢想，如何將每樣東西拆解成基本的基石，那對我們來說，是奈米粒子，並將它們重新組裝成我們因某些應用而需要的任何結構，" Chad A. Mirkin 說，本論文的資深作者之一，同時也是 Weinberg 藝術與科學學院的 George B. Rathmann 化學教授、醫學教授與材料科學及工程教授。除了 Mirkin 之外，George C. Schatz，Morrison 化學教授亦指導此研究。
藉由改變 DNA 在粒子表面的類型，西北大學團隊能夠讓粒子在空間有不同安排。最終形成的結構是最大化 DNA 雜交（hybridization）的那一個。DNA 是使其穩定平衡的力量，讓結構保持不變的膠水。"這些結構是物質的新形式，" Mirkin 說，"以其他方式製造，會很困難，甚至是不可能。"
他將此過程比喻成建房子。從基本材料開始，一個建造團隊能以同樣的建造基石打造出不同類型的房子。在西北大學的研究中，DNA 控制基石（金奈米粒子）在最終結晶結構當中的位置，以一種機能性的方式安排粒子。DNA 完成所有困難吃重的工作，故研究者不必這麼累。
Mirkin、Schatz 及其團隊只利用一種基石，金球，不過當此技術更進一步發展，許多具有不同尺寸的基石將能夠被利用 -- 具有不同的組成（例如金、銀、螢光粒子等）與不同形狀（圓形、桿狀、立方體、三角形）。控制奈米粒子之間的距離也是結構功能的關鍵。
"一旦你獲得這麼棒的，你就能打造任何你想要的東西，" Mirkin，西北大學奈米技術國際研究所的所長。
"然而，統治自我組裝的的規則仍不清楚，" Schatz 說，"而且決定如何將奈米粒子結合成有趣的結構，是這個領域最大的挑戰。"
西北大學從直徑為 15 奈米的金奈米粒子開始，而且在每個粒子上附加雙股 DNA，而其中一股比另一股要來的長。此 DNA 的部份單股作為「連結者 DNA」，它尋找附加在其他奈米粒子上的互補 DNA。二個單股連結者 DNA 的結合會成為完整的雙螺旋，將粒子彼此緊密的結合在一起。
每個金奈米粒子都有多股 DNA 附加在表面上，所以奈米粒子可以不同方向結合，形成一種 3D 結構 -- 一個結晶體。研究者所編寫（programmed）的一種連結者 DNA 序列，會產生某一類型的結晶結構，而不同的連結者 DNA 順序會產生不同的結構。
"我們甚至發現這麼一個例子，在此同樣的連結者會產生不同的結構，端看粒子所混合的溫度而定，" Schatz 說。
利用 Argonne 國家實驗室 Advanced Photon Source 同步加速器所產生的、極端明亮的 X 光，在加上計算模擬，研究團隊將此結晶體成像以透過結構決定粒子的精確位置。最終的結晶體擁有約 100 萬個奈米粒子。
"學會如何合成 DNA 花了科學家 10 年的研究，" Mirkin 說。"現在我們學得如何利用自體外合成的（DNA）將無生命物質安排成有用的東西，這真的很壯觀。"
※ 相關報導：
＊ DNA-programmable nanoparticle crystallization
http://www.nature.com/nature/journal/v451/n7178/abs/nature06508.html
Sung Yong Park, Abigail K. R. Lytton-Jean, Byeongdu Lee,＊ 與 DNA 同樂 -- 用它建構奈米模型
Steven Weigand, George C. Schatz & Chad A. Mirkin
Nature 451, 553-556 (31 January 2008)
doi:10.1038/nature06508
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