让DNA像乐高积木一样折纸？他们做到了！

2017年6月27日，清华大学生命科学学院魏迪明分子设计实验室在《ACS Nano》杂志上在线发表题为“简易模块化DNA折纸纳米结构的构建方案” (Versatile DNA Origami Nanostructures in Simplified and Modular Designing Framework)的研究论文。该论文提出了一种构建模块化的DNA折纸结构的方法，降低了DNA折纸结构的设计难度和成本，同时提高了所得结构的可变性和复杂度。此外，该研究还首次提出了DNA折纸结构的构象互变问题，为研究DNA纳米结构的形成机理提供了新的研究思路。

DNA折纸术（DNA origami）是近十年来流行的一种构建DNA纳米结构的有力方法，以提取自M13噬菌体基因组的环状DNA单链为骨架DNA（scaffold），用人工合成的短链DNA（staples）以互补配对的方式将骨架DNA固定，从而形成特定的结构。传统的DNA折纸结构通过折叠短链DNA构成链交换位点（crossover），设计难度较高，形成的结构可变性较低。本论文提出了一种新的构建DNA折纸结构的方法，折叠骨架DNA形成链交换位点，以骨架DNA的折叠片作为结构模块，相邻的结构模块通过平行排列的支架DNA互相固定。基于这种设计原则，多个二维结构和三维结构被成功设计构建，覆盖了二维及三维的多种设计组合。论文中还特别展示了“乾”和“坤”两个图案（见图左中），取清华大学校训“自强不息，厚德载物”之意。

模块化的构成方式赋予了这些新型结构丰富的可变性。该论文中提出了平移、翻转、延伸、缩短、折角等多种结构变换方式，并在二维和三维结构中实现了这些改造。此外，该研究还提出，某些模块化设计的二维结构可转变成类似传统折纸结构的构象，结构的两种构象在特定的条件下能够互相转换，结构的局部构象变化能够以对角线方向传递到整个结构。特别值得一提的，蛋白质分子可以固定在DNA纳米结构的特定位点上并随之发生相对位置转变，这对复杂酶体系的动力学设计有着很重要的启示。

清华大学生命科学学院的博士生崔妍与香港科技大学化学工程及生物分子工程学系的博士研究生陈瑞鹏为本文的共同第一作者；清华大学的本科毕业生开明轩（现就读于加州大学圣地亚哥分校），清华大学生命科学院的博士生王雅琪，和香港科技大学化学工程及生物分子工程学系的弭永利教授参与了本项目的研究工作；清华大学生命科学学院的魏迪明研究员为本文的通讯作者。

本项目得到清华大学蛋白质冷冻电镜平台提供的仪器支持，并承蒙国家自然科学基金，青年千人计划，清华-北大生命科学联合中心启动基金，及香港大学教育资助委员会的资助。