世界上最小的用DNA制作的井字游戏板

大约一年前，加州理工学院的生物工程助理教授Lulu Qian在实验室里的科学家宣布他们使用了一种称为DNA折纸的技术来制作瓷砖，这些瓷砖可以设计成自组装成更大的纳米结构，带有预先设计的图案。他们选择制作世界上最小的标志性蒙娜丽莎版本。

这项壮举令人印象深刻，但该技术的限制与列奥纳多达芬奇的油画相似：一旦图像被创建，就无法轻易改变。

现在，加州理工学院的团队在技术方面再次实现了飞跃。他们创造了更具动态性的新瓷砖，使研究人员能够重塑已经建成的DNA结构。当加州理工学院的Paul Rothemund(BS '94)十多年前开创DNA折纸时，他用这种技术建立了一个笑脸。钱的团队现在可以把那个笑容变成皱眉，然后，如果他们想要的话，把皱眉翻过来。他们甚至走得更远，制作了一个微观的井字游戏，玩家通过在棋盘上添加特殊的DNA贴片来放置他们的X和O.

“我们开发了一种机制来编程复杂DNA纳米结构之间的动态相互作用，”钱说。“利用这种机制，我们创造了世界上最小的游戏板，用于玩井字游戏，其中每一步都涉及分子自我重构，可以同时交换数百条DNA链。”

把碎片放在一起

该交换机制结合了两种先前开发的DNA纳米技术。它使用一个构建块和另一个概念：自组装瓷砖，用于制作微小的蒙娜丽莎; 和钱的位移，已被钱的团队用来建造DNA机器人。

这两种技术都利用DNA的能力通过其分子的排列进行编程。每条DNA链由骨架和四种称为碱基的分子组成。这些碱基 - 腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶和胸腺嘧啶，缩写为A，T，C和G - 可以按任何顺序排列，顺序代表细胞可以使用的信息，或者在这种情况下通过工程改造纳米机器。

使其可用于构建纳米结构的DNA的第二个特性是A，T，C和G碱基具有与其对应物配对的自然趋势。A碱基与T配对，C与G配对。通过扩展，任何碱基序列都希望与互补序列配对。例如，ATTAGCA将要与TAATCGT配对。

但是，序列也可以与部分匹配的序列配对。如果将ATTAGCA和TAATACC放在一起，它们的ATTA和TAAT部分将配对，并且不匹配部分将从末端悬挂。两条链彼此相互补充越紧密，它们彼此之间的吸引力越大，它们的结合就越强烈。

想象一下在钢绞线位移中会发生什么，想象一下两个约会并有几个共同点的人。艾米喜欢狗，远足，电影和去海滩。亚当喜欢狗，徒步旅行和品酒。他们对狗和徒步旅行的共同兴趣结合在一起。然后另一个人进入了画面。艾迪碰巧喜欢狗，远足，电影和保龄球。艾米意识到她与艾迪有三个共同点，而且与亚当只有两个共同点。Amy和Eddie发现自己被彼此强烈吸引，而Adam被倾倒 - 就像一个被取代的DNA链。

Eddie和Amy有更多共同点，他们的联系更强。在DNA链置换中，Amy离开了Eddie

其他技术，自组装瓷砖，更容易解释。从本质上讲，瓷砖虽然都是方形的，但其设计的行为类似于拼图游戏。每个瓷砖在组装的图片中都有自己的位置，它只适合那个位置。

在创造他们的新技术时，钱的团队灌输了具有位移能力的自组装瓷砖。结果是瓷砖可以在结构中找到它们的指定点，然后踢出已经占据该位置的瓷砖。虽然Eddie只与一个人结合，导致另一个人被踢到路边，但是瓷砖更像是一个被收养的孩子，他们与一个新家庭如此紧密地联系在一起，他们将“最喜欢的”称号远离生物后代。

“在这项工作中，我们发明了瓷砖位移的机制，它遵循链移位的抽象原理，但在DNA折纸结构之间以更大的比例发生，”钱的前研究生Philip Petersen(博士'18)说，他的主要作者研究。“这是第一种可用于在多个相互作用的DNA折纸结构系统中编程动态行为的机制。”

让我们玩

为了开始这个井字游戏，钱的团队在试管中混合了空白板砖的解决方案。一旦电路板自行组装，玩家就会轮流添加X瓦片或O瓦片。由于它们是由可编程的DNA制成的，因此瓷砖被设计成滑入板上的特定位置，取代那里的空白瓷砖。例如，X瓦片可以设计成仅滑入板的左下角。玩家可以通过使用设计用于他们想要的地方的瓷砖将X或O放入他们想要的任何空白位置。经过六天的游戏玩法，玩家X获得了胜利。

很明显，没有父母会急于给他们的孩子买一个需要将近一周时间玩的井字游戏，但是井下运动并不是真正的重点，高级博士后学者Grigory Tikhomirov和共同首先说道。该研究的作者。目标是利用该技术开发纳米机器，这些纳米机器在已经建成后可以进行修改或修复。

“当你得到一个爆胎时，你可能只需要更换它而不是买一辆新车。对于纳米级机器来说，这种手动维修是不可能的，”他说。“但是，通过我们发现的瓷砖置换工艺，可以更换和升级工程纳米级机器的多个部件，使其更加高效和复杂。”