Only Perception: 來自 DNA 的奈米級摺紙術

2009-08-19

來自 DNA 的奈米級摺紙術

Nanoscale origami from DNA
http://www.physorg.com/news168787205.html

August 6th, 2009

來自（德國）Technische Universitaet Muenchen (TUM) 與哈佛大學的科學家揭露一種新的工具箱（toolbox）可從 DNA 建造奈米級結構，同時具有複雜的扭轉與彎曲形狀。在 8/7 當期的 Science 上，他們報告一系列實驗，在其中他們如摺紙（origami）般將 DNA 摺成一系列三維物體，包括如海灘球外形的線框囊狀物（wireframe capsule），直徑只有 50 奈米。

"我們的目標是找出我們能否將 DNA 編程（program）以組裝出展現自訂曲率或扭轉的形狀，同時僅有幾奈米寬，" 生物物理學家 Hendrik Dietz 表示，Technische Universitaet Muenchen 的一教授。Dietz 在這些實驗中的同僚是哈佛的 William Shih 教授以及 Shawn Dougla 博士。"那有效，" 他說，"而我們現在能建立種種三維奈米級機械部件，例如圓形齒輪或彎曲的管狀物或囊狀物。將這些部件組裝成一個更大、更複雜且有用的裝置應有可能。"

身為奈米級工程的媒介，DNA 在做為一種聰明材料（smart material）上具有雙重優勢 -- 不僅堅韌、有彈性而且可程式化（programmable） -- 且研究數十年後，其特性已描述的非常完善。Dietz、Douglas 與 Shih 所用的是可程式化的、自我組裝的基本工具 -- 指導各股 DNA 形成具自訂形狀的交叉連接雙螺旋束（bundles） -- 而已瞄準的（targeted）鹼基對插入或刪除能賦予這種 DNA 束想要的扭轉或彎曲。右手或左手的扭轉也可指定。他們報告達成這些形狀精確、定量的控制，其曲率半徑只有 6 奈米這麼密。

他們所開發的工具箱包括一套圖形程式，那協助將特定設計改念轉換成實現它們所需要的 DNA 編程（programming）。三維形狀的製造是透過這些螺旋體數量、排列與長度的「調整」。在他們目前的論文中，研究者們呈現各式各樣奈米級的結構，並詳述他們如何設計、成形與驗證它們。"許多先進的巨觀機械需要形狀奇怪的部件才能運作，" Dietz 說，"而我們有製造它們的工具。但我們目前無法建造某些複雜精密的東西，例如螞蟻的腳或，更小的，十奈米這麼小的化學工廠，例如一個蛋白酵素。只有當我們利用可在我們身體細胞內強健運作的材料 -- 例如 DNA 這樣的生物分子 -- 在奈米尺度下建造超微小化裝置時，我們才能期待有許多優勢。"

◆ DNA電腦晶片更小更強更省電

中國時報 2009-08-18 【潘勛／綜合十七日外電報導】

美國電腦研究專家表示，他們已找到利用去氧核醣核酸（ＤＮＡ）分子技術製造下一代微晶片的方法，而以ＤＮＡ分子取代傳統的矽元素來造出微電路，可讓晶片變得更小，功能更強，也更省電。但專家也表示，這種晶片要進入商業量產，至少還要好幾年。

美國ＩＢＭ公司與加州理工學院專家羅斯蒙德合作；羅斯蒙德幾年前便判定，ＤＮＡ分子可以「自我組合」成微小形狀，如三角形、正方形及星形。借用ＤＮＡ的天然能力，可以吸收大量的複雜資訊，轉而運用在其他類型的活動。

ＩＢＭ公司研究許多方法，讓ＤＮＡ在晶片表面自組成圖案，然後充當某種「支架」，再用數百萬奈米碳管及奈米粒子沉積上去。ＩＢＭ科學家表示，如此奈米碳管及奈米粒子形成的新網絡，可以充當未來電腦晶片的線路及電晶體。

具體而言，科學家先以傳統晶片技術蝕刻所需的電路圖形，再將ＤＮＡ溶液倒在矽晶表面，此時ＤＮＡ會依蝕刻的電路圖形自我組合成微小的三角形、正方形，這種能力，科學家稱之為「ＤＮＡ的摺紙技術」（DNA origami）。如能將這些微小的ＤＮＡ摺紙技術放置在晶圓表面，那麼科學家便能利用ＤＮＡ的特性，製作出奈米電路板。

這篇論文發表在最新《自然奈米科技》期刊。過去數十年，矽晶技術不斷微縮，將更小的線路蝕刻在晶片表面，以增進速度表現，同時減少電力消耗。目前最先進的電腦晶片是用四十五奈米製程製造，但再過幾年，要降到廿二奈米以下便瀕臨矽晶材料的物理極限，將變得更為困難、昂貴。

※ 相關報導：

＊ Folding DNA into Twisted and Curved Nanoscale Shapes
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/325/5941/725

Hendrik Dietz, Shawn M. Douglas, William M. Shih
Science 7 August 2009: Vol. 325. no. 5941, pp. 725 - 730
doi: 10.1126/science.1174251

＊ Placement and orientation of individual DNA shapes on lithographically patterned surfaces
http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2009.220

Ryan J. Kershner, Luisa D. Bozano, Christine M. Micheel,
Albert M. Hung, Ann R. Fornof, Jennifer N. Cha,
Charles T. Rettner, Marco Bersani, Jane Frommer,
Paul W. K. Rothemund & Gregory M. Wallraff
Nature Nanotechnology Published online: 16 August 2009
doi: 10.1038/nnano.2009.220