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January 1st, 2009 in Nanotechnology / Bio & Medicine
Arizona 州立大學（ASU）研究者 Hao Yan（音譯：袁和）與 Yan Liu（音譯：劉原）想像並在幾乎難以測量的微小尺度下組裝錯綜複雜的結構。他們的媒介是雙螺旋 DNA 分子，一種多才多藝的建築材料，提供近乎毫無限制的建構潛力。
在 2009 1/2 當期的 Science 上，Yan 與 Liu，ASU 生物設計研究所研究者以及化學與生物化學系的教職員，首度揭露 DNA 奈米管、奈米環與奈米螺旋體的三維特性，每一種僅有人類頭髮直徑的幾十萬分之一。這些 DNA 奈米管與其他合成結構，也許很快就能夠在新一代超細微電子裝置與生物醫療創新中發現它們的用途。
Yan 與 Liu 正在一種迅速增加的「結構化 DNA 奈米技術（structural DNA nanotechnology）」領域中研究。藉由複製大自然手冊中的一頁，他們利用了 DNA 分子傑出的自我組裝（self-assembly）特性。根據統治這四種化學鹼基（稱為 A, C, T, 與 G）兩兩成對的簡單規則，當幾股帶狀分子聚在一起，它們就如同魔鬼氈一樣彼此緊緊扣住。從這種貧乏的字母系統，大自然扭擰出令人費解的形態多樣性。DNA 透過結構化蛋白質的細胞合成、特定鹼基順序的編碼，來完成這件事。這些蛋白是生物的基本構成要素，形成了細胞壁、血管、組織與器官。但 DNA 本身也能夠形成穩定的建築性構造，而且也許能因人為的哄騙而這麼做。
在他的研究中，Yan 從奈米世界裡許多奈米級的精巧裝置中獲得靈感："單細胞生物，例如海中的矽藻，" 他指出，"包含自我組裝的蛋白質結構。" 這些極其精美的互異外型與生物的實用性，屢屢為有機、無機材料受到精心安排之自我組裝的結果。
在結構化 DNA 奈米技術領域中的科學家，包括 Yan 博士的團隊，先前已證明預製（pre-fab）DNA 元素能被誘導成自我組裝，形成有用的奈米結構化平台，或「拼貼（tiles）」。這種拼貼能以特定的拼接方式契合（snap）在一起 -- 透過鹼基對 -- 形成更大的陣列。
Yan 與 Liu 的研究回應奈米科技與材料科學中一種根本的挑戰，在三維中建構分子等級的形體。為了辦到這件事，該團隊使用金奈米粒子，那能置於單股 DNA 上，迫使這些有彈性的分子拼貼陣列從奈米粒子折離（bend away），捲曲成閉合的環圈或形成彈簧般的螺旋體或巢狀環，直徑約 30 到 180 奈米。
金奈米粒子，那迫使 DNA 股自行逆拱（arc back on themselves），產生一種稱為「立體障礙（steric hindrance，空間障礙）」的力，其強度端賴所用之奈米粒子的大小。利用這種立體障礙，Yan 與 Liu 首度證明，DNA 奈米管能經特別地引導以捲曲成封閉的環，同時具有高產量。
當使用 5 奈米的金粒子時，一種溫和的立體障礙引導 DNA 拼貼來捲曲以及與鄰近互補的片段接合，除了封閉的環狀物以外，還經常形成不同直徑的螺旋體。然而 10 奈米的金粒子，施以更大的立體阻礙，引導更加緊迫的捲縮，那產生大部分為封閉的管狀物。Yan 強調，粒子不僅參與了自我組裝的過程，一如那些被引導的材料，它們也身為一種活性的媒介，誘使並引導奈米管的形成。
在 Scripps Research Institute 的 Anchi Cheng 與 Jonanthan Brownell 的協助下，他們使用一種稱為電子低溫斷層掃描（cryotomography）的技術，首度瞥見難以捉摸的 DNA 奈米管的 3D 結構。"你迅速將樣本凍結在玻璃化的冰（vitreous ice）當中，" 他解釋。"這將保存此結構天生的構造。" 接著在各種傾斜的角度上成像，能重建這種三維的奈米結構，而金奈米粒子為清爽的（crisp）視覺化提供足夠的電子密度。
DNA 奈米管將很快加入它們的奈米碳管表親，在分子層級上提供可繞曲、有彈性的以及可操縱的結構。擴展 3D 結構的控制將替未來在光度測定（photometry）、光伏電池（photovoltaics）、觸控式螢幕與彈性顯示器（flexible displays）與更深遠的生醫進展。
"能藉由自我組裝來建構三維結構真的令人感到振奮，" Yan 說。"那大大地平行化。你能同時製造幾百萬個或幾兆個副本。"
Yan 與 Liu 相信，具有奈米粒子的、受控制的管狀奈米管也許能應用在細胞對細胞通訊的電子通道的設計上，或用於建構各種奈米電子裝置。
※ 相關報導：
＊ Control of Self-Assembly of DNA Tubules Through Integration of Gold Nanoparticles
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/323/5910/112
Jaswinder Sharma, Rahul Chhabra, Anchi Cheng,＊ 第一個多重輸入「PnP」合成 RNA 裝置
Jonathan Brownell, Yan Liu, Hao Yan
Science 2 January 2009: Vol. 323. no. 5910, pp. 112 - 116
DOI: 10.1126/science.1165831
＊ DNA+奈米粒子 壓印微滴可自組超晶格
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