大約一年前，加州理工學院的生物工程助理教授Lulu Qian在實驗室里的科學家宣布他們使用了一種稱為DNA折紙的技術來制作瓷磚，這些瓷磚可以設計成自組裝成更大的納米結構，帶有預先設計的圖案。他們選擇制作世界上最小的標志性蒙娜麗莎版本。

這項壯舉令人印象深刻，但該技術的限制與列奧納多達芬奇的油畫相似：一旦圖像被創(chuàng)建，就無法輕易改變。

現在，加州理工學院的團隊在技術方面再次實現了飛躍。他們創(chuàng)造了更具動態(tài)性的新瓷磚，使研究人員能夠重塑已經建成的DNA結構。當加州理工學院的Paul Rothemund(BS '94)十多年前開創(chuàng)DNA折紙時，他用這種技術建立了一個笑臉。錢的團隊現在可以把那個笑容變成皺眉，然后，如果他們想要的話，把皺眉翻過來。他們甚至走得更遠，制作了一個微觀的井字游戲，玩家通過在棋盤上添加特殊的DNA貼片來放置他們的X和O.

“我們開發(fā)了一種機制來編程復雜DNA納米結構之間的動態(tài)相互作用，”錢說。“利用這種機制，我們創(chuàng)造了世界上最小的游戲板，用于玩井字游戲，其中每一步都涉及分子自我重構，可以同時交換數百條DNA鏈。”

把碎片放在一起

該交換機制結合了兩種先前開發(fā)的DNA納米技術。它使用一個構建塊和另一個概念：自組裝瓷磚，用于制作微小的蒙娜麗莎; 和錢的位移，已被錢的團隊用來建造DNA機器人。

這兩種技術都利用DNA的能力通過其分子的排列進行編程。每條DNA鏈由骨架和四種稱為堿基的分子組成。這些堿基 - 腺嘌呤，鳥嘌呤，胞嘧啶和胸腺嘧啶，縮寫為A，T，C和G - 可以按任何順序排列，順序代表細胞可以使用的信息，或者在這種情況下通過工程改造納米機器。

使其可用于構建納米結構的DNA的第二個特性是A，T，C和G堿基具有與其對應物配對的自然趨勢。A堿基與T配對，C與G配對。通過擴展，任何堿基序列都希望與互補序列配對。例如，ATTAGCA將要與TAATCGT配對。

但是，序列也可以與部分匹配的序列配對。如果將ATTAGCA和TAATACC放在一起，它們的ATTA和TAAT部分將配對，并且不匹配部分將從末端懸掛。兩條鏈彼此相互補充越緊密，它們彼此之間的吸引力越大，它們的結合就越強烈。

想象一下在鋼絞線位移中會發(fā)生什么，想象一下兩個約會并有幾個共同點的人。艾米喜歡狗，遠足，電影和去海灘。亞當喜歡狗，徒步旅行和品酒。他們對狗和徒步旅行的共同興趣結合在一起。然后另一個人進入了畫面。艾迪碰巧喜歡狗，遠足，電影和保齡球。艾米意識到她與艾迪有三個共同點，而且與亞當只有兩個共同點。Amy和Eddie發(fā)現自己被彼此強烈吸引，而Adam被傾倒 - 就像一個被取代的DNA鏈。

Eddie和Amy有更多共同點，他們的聯系更強。在DNA鏈置換中，Amy離開了Eddie

其他技術，自組裝瓷磚，更容易解釋。從本質上講，瓷磚雖然都是方形的，但其設計的行為類似于拼圖游戲。每個瓷磚在組裝的圖片中都有自己的位置，它只適合那個位置。

在創(chuàng)造他們的新技術時，錢的團隊灌輸了具有位移能力的自組裝瓷磚。結果是瓷磚可以在結構中找到它們的指定點，然后踢出已經占據該位置的瓷磚。雖然Eddie只與一個人結合，導致另一個人被踢到路邊，但是瓷磚更像是一個被收養(yǎng)的孩子，他們與一個新家庭如此緊密地聯系在一起，他們將“最喜歡的”稱號遠離生物后代。

“在這項工作中，我們發(fā)明了瓷磚位移的機制，它遵循鏈移位的抽象原理，但在DNA折紙結構之間以更大的比例發(fā)生，”錢的前研究生Philip Petersen(博士'18)說，他的主要作者研究。“這是第一種可用于在多個相互作用的DNA折紙結構系統中編程動態(tài)行為的機制。”

讓我們玩

為了開始這個井字游戲，錢的團隊在試管中混合了空白板磚的解決方案。一旦電路板自行組裝，玩家就會輪流添加X瓦片或O瓦片。由于它們是由可編程的DNA制成的，因此瓷磚被設計成滑入板上的特定位置，取代那里的空白瓷磚。例如，X瓦片可以設計成僅滑入板的左下角。玩家可以通過使用設計用于他們想要的地方的瓷磚將X或O放入他們想要的任何空白位置。經過六天的游戲玩法，玩家X獲得了勝利。

很明顯，沒有父母會急于給他們的孩子買一個需要將近一周時間玩的井字游戲，但是井下運動并不是真正的重點，高級博士后學者Grigory Tikhomirov和共同首先說道。該研究的作者。目標是利用該技術開發(fā)納米機器，這些納米機器在已經建成后可以進行修改或修復。

“當你得到一個爆胎時，你可能只需要更換它而不是買一輛新車。對于納米級機器來說，這種手動維修是不可能的，”他說。“但是，通過我們發(fā)現的瓷磚置換工藝，可以更換和升級工程納米級機器的多個部件，使其更加高效和復雜。”