許多自組織系統(tǒng)本質(zhì)上利用了確定性和隨機(jī)過程的復(fù)雜混合。沒有兩棵樹是完全相同的，因?yàn)樯L是隨機(jī)的，但是紅木可以很容易地與藍(lán)花楹分開，因?yàn)檫@兩種樹種遵循不同的遺傳程序。生物有機(jī)體中隨機(jī)性的價(jià)值尚不完全清楚，但有人假設(shè)它允許更小的基因組大小 - 因?yàn)椴皇敲總€(gè)細(xì)節(jié)都必須編碼。隨機(jī)性還提供了適應(yīng)性進(jìn)化的變化。

與生物學(xué)相比，工程學(xué)很少利用隨機(jī)性的力量來制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在，一群加州理工學(xué)院的科學(xué)家已經(jīng)證明，分子自組裝的隨機(jī)性可以與確定性規(guī)則相結(jié)合，從DNA中產(chǎn)生復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)工作在Lulu Qian生物工程助理教授的實(shí)驗(yàn)室完成，發(fā)表在11月28日出版的“自然納米技術(shù)”雜志上。

生物使用DNA來存儲(chǔ)遺傳信息，但DNA也可以用作分子工程的強(qiáng)大化學(xué)構(gòu)建塊。構(gòu)成DNA的四個(gè)互補(bǔ)分子，稱為核苷酸，僅以特定方式結(jié)合在一起：A與T結(jié)合，G與C結(jié)合。2006年，加州理工學(xué)院生物工程，計(jì)算和數(shù)學(xué)科學(xué)以及計(jì)算和神經(jīng)系統(tǒng)研究教授Paul Rothemund（BS '94）發(fā)明了一種名為DNA折紙的技術(shù)，利用長鏈DNA核苷酸之間的匹配，折疊它們從納米級(jí)藝術(shù)品到藥物輸送設(shè)備，應(yīng)有盡有。

使用DNA折紙作為構(gòu)建模塊，研究人員已經(jīng)制作了更大的DNA納米結(jié)構(gòu)，例如折紙瓷磚的周期性陣列。然而，因?yàn)闃?gòu)建塊只是在任何地方重復(fù)，所以可以在這些較大結(jié)構(gòu)上形成的圖案的復(fù)雜性非常有限。完全確定性的裝配過程 - 控制每個(gè)單獨(dú)瓷磚的設(shè)計(jì)及其在陣列中的獨(dú)特位置 - 可以產(chǎn)生復(fù)雜的圖案，但是這些過程不能很好地?cái)U(kuò)展。相反，如果僅涉及隨機(jī)過程并且陣列的全局特征不受設(shè)計(jì)規(guī)則控制，則不可能產(chǎn)生具有期望特性的復(fù)雜圖案而不同時(shí)產(chǎn)生大部分被浪費(fèi)的不期望分子。

“我們一直在尋找具有確定性和隨機(jī)性的分子自組裝原則，”錢說。“我們開發(fā)了一套簡單的規(guī)則，允許DNA瓦片隨機(jī)綁定，但只能綁定到特定的受控模式。”該方法涉及在各個(gè)瓦片上設(shè)計(jì)圖案，調(diào)制不同瓦片的比例，以及確定在自組裝期間哪些瓦片可以綁定在一起。這導(dǎo)致具有可調(diào)統(tǒng)計(jì)特性的大規(guī)模緊急特征 - 作者稱之為“可編程障礙”的現(xiàn)象。

除了循環(huán)之外，團(tuán)隊(duì)還選擇了另外兩個(gè)例子，迷宮和樹，以證明這些結(jié)構(gòu)的許多非平凡屬性可以通過簡單的本地規(guī)則來控制。他們發(fā)現(xiàn)這些例子很有趣，因?yàn)檠h(huán)，迷宮和樹結(jié)構(gòu)在自然界中廣泛存在于多個(gè)尺度上。例如，肺是毫米到厘米尺度的樹結(jié)構(gòu)，神經(jīng)樹突是微米到毫米尺度的樹結(jié)構(gòu)。它們顯示的受控屬性包括分支規(guī)則，增長方向，相鄰網(wǎng)絡(luò)之間的接近度以及大小分布。

該小組最初的靈感來自經(jīng)典的Truchet瓷磚，這些瓷磚是方形瓷磚，表面有兩條對(duì)角線對(duì)稱的DNA弧線?；⌒螆D案存在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱的取向。允許在陣列中的每個(gè)位置隨機(jī)選擇兩個(gè)瓦片方向，該圖案將繼續(xù)通過相鄰?fù)咂?，或者成為各種尺寸的環(huán)或者從陣列的邊緣退出。為了在分子尺度上創(chuàng)建Truchet陣列，該團(tuán)隊(duì)使用DNA折紙技術(shù)將DNA折疊成方形瓷磚，然后設(shè)計(jì)這些瓷磚之間的相互作用，以鼓勵(lì)它們自組裝成大型二維陣列。

“由于所有分子在自組裝過程中在試管中漂浮時(shí)互相撞擊，因此相互作用應(yīng)足夠弱，以使瓷磚能夠重新排列，避免陷入任何不需要的配置，”Philip Petersen說，錢實(shí)驗(yàn)室的研究生和論文的共同第一作者?！傲硪环矫?，相互作用應(yīng)該足夠具體，因此所需的相互作用總是優(yōu)于不希望的，虛假的相互作用?！?/p>

當(dāng)使用不同的局部模式標(biāo)記切片時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同類型的全局模式。例如，如果每個(gè)隨機(jī)定向的塊帶有“T”而不是兩個(gè)弧，則全局模式是具有分支和循環(huán)而不是僅循環(huán)的迷宮。如果自組裝規(guī)則約束相鄰“T”瓦片的可能相對(duì)方向，則可以確保除了單個(gè)“根”之外，迷宮中的分支從不接近生成樹的循環(huán)。為了探索這些原則的完整普遍性，錢的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種隨機(jī)DNA折紙的編程語言。

“使用這種編程語言，設(shè)計(jì)過程從瓦片和陣列的高級(jí)描述開始，可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換為抽象陣列圖和數(shù)值模擬，然后轉(zhuǎn)移到DNA折紙圖塊設(shè)計(jì)，包括圖塊如何相互作用最后，我們?cè)O(shè)計(jì)DNA序列，“錢說?！袄眠@些DNA序列，研究人員可以直接訂購DNA鏈，將它們混合在試管中，等待分子在一夜之間自組裝到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，并使用原子力顯微鏡獲得結(jié)構(gòu)圖像。 “

該組織的可編程障礙方法具有多種未來應(yīng)用。例如，它可以用于構(gòu)建復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境，用于更復(fù)雜的分子機(jī)器人 - 基于DNA的納米級(jí)機(jī)器，可以在表面上移動(dòng)，拾取或丟棄蛋白質(zhì)或其他類型的分子作為貨物，并做出決策關(guān)于導(dǎo)航和行動(dòng)。