可编程障碍方法在未来将会具有多种应用

许多自组织系统本质上利用了确定性和随机过程的复杂混合。没有两棵树是完全相同的，因为生长是随机的，但是红木可以很容易地与蓝花楹分开，因为这两种树种遵循不同的遗传程序。生物有机体中随机性的价值尚不完全清楚，但有人假设它允许更小的基因组大小 - 因为不是每个细节都必须编码。随机性还提供了适应性进化的变化。

与生物学相比，工程学很少利用随机性的力量来制造复杂的结构。现在，一群加州理工学院的科学家已经证明，分子自组装的随机性可以与确定性规则相结合，从DNA中产生复杂的纳米结构。这项工作在Lulu Qian生物工程助理教授的实验室完成，发表在11月28日出版的“自然纳米技术”杂志上。

生物使用DNA来存储遗传信息，但DNA也可以用作分子工程的强大化学构建块。构成DNA的四个互补分子，称为核苷酸，仅以特定方式结合在一起：A与T结合，G与C结合。2006年，加州理工学院生物工程，计算和数学科学以及计算和神经系统研究教授Paul Rothemund（BS '94）发明了一种名为DNA折纸的技术，利用长链DNA核苷酸之间的匹配，折叠它们从纳米级艺术品到药物输送设备，应有尽有。

使用DNA折纸作为构建模块，研究人员已经制作了更大的DNA纳米结构，例如折纸瓷砖的周期性阵列。然而，因为构建块只是在任何地方重复，所以可以在这些较大结构上形成的图案的复杂性非常有限。完全确定性的装配过程 - 控制每个单独瓷砖的设计及其在阵列中的独特位置 - 可以产生复杂的图案，但是这些过程不能很好地扩展。相反，如果仅涉及随机过程并且阵列的全局特征不受设计规则控制，则不可能产生具有期望特性的复杂图案而不同时产生大部分被浪费的不期望分子。

“我们一直在寻找具有确定性和随机性的分子自组装原则，”钱说。“我们开发了一套简单的规则，允许DNA瓦片随机绑定，但只能绑定到特定的受控模式。”该方法涉及在各个瓦片上设计图案，调制不同瓦片的比例，以及确定在自组装期间哪些瓦片可以绑定在一起。这导致具有可调统计特性的大规模紧急特征 - 作者称之为“可编程障碍”的现象。

除了循环之外，团队还选择了另外两个例子，迷宫和树，以证明这些结构的许多非平凡属性可以通过简单的本地规则来控制。他们发现这些例子很有趣，因为循环，迷宫和树结构在自然界中广泛存在于多个尺度上。例如，肺是毫米到厘米尺度的树结构，神经树突是微米到毫米尺度的树结构。它们显示的受控属性包括分支规则，增长方向，相邻网络之间的接近度以及大小分布。

该小组最初的灵感来自经典的Truchet瓷砖，这些瓷砖是方形瓷砖，表面有两条对角线对称的DNA弧线。弧形图案存在两个旋转不对称的取向。允许在阵列中的每个位置随机选择两个瓦片方向，该图案将继续通过相邻瓦片，或者成为各种尺寸的环或者从阵列的边缘退出。为了在分子尺度上创建Truchet阵列，该团队使用DNA折纸技术将DNA折叠成方形瓷砖，然后设计这些瓷砖之间的相互作用，以鼓励它们自组装成大型二维阵列。

“由于所有分子在自组装过程中在试管中漂浮时互相撞击，因此相互作用应足够弱，以使瓷砖能够重新排列，避免陷入任何不需要的配置，”Philip Petersen说，钱实验室的研究生和论文的共同第一作者。“另一方面，相互作用应该足够具体，因此所需的相互作用总是优于不希望的，虚假的相互作用。”

当使用不同的局部模式标记切片时，会出现不同类型的全局模式。例如，如果每个随机定向的块带有“T”而不是两个弧，则全局模式是具有分支和循环而不是仅循环的迷宫。如果自组装规则约束相邻“T”瓦片的可能相对方向，则可以确保除了单个“根”之外，迷宫中的分支从不接近生成树的循环。为了探索这些原则的完整普遍性，钱的团队开发了一种随机DNA折纸的编程语言。

“使用这种编程语言，设计过程从瓦片和阵列的高级描述开始，可以自动转换为抽象阵列图和数值模拟，然后转移到DNA折纸图块设计，包括图块如何相互作用最后，我们设计DNA序列，“钱说。“利用这些DNA序列，研究人员可以直接订购DNA链，将它们混合在试管中，等待分子在一夜之间自组装到设计结构中，并使用原子力显微镜获得结构图像。 “

该组织的可编程障碍方法具有多种未来应用。例如，它可以用于构建复杂的测试环境，用于更复杂的分子机器人 - 基于DNA的纳米级机器，可以在表面上移动，拾取或丢弃蛋白质或其他类型的分子作为货物，并做出决策关于导航和行动。