流行的聯(lián)鎖積木LEGOS可以產(chǎn)生令人印象深刻的建筑形式。所需要的只是孩子的想象力，以構(gòu)造幾乎無限多種復(fù)雜形狀。

在《物理評論快報》上發(fā)表的一項新研究中，研究人員描述了一種在數(shù)十億分之一米的尺度上使用類樂高元素的技術(shù)。此外，他們能夠使這些設(shè)計元素動聽，以進(jìn)行自我組裝，每個樂高積木確定其適當(dāng)?shù)呐浜喜⒁跃_的順??序連接起來，以完成所需的納米結(jié)構(gòu)。

雖然這項新研究中描述的技術(shù)是在計算機(jī)上模擬的，但是該策略適用于DNA納米技術(shù)領(lǐng)域常見的自組裝方法。在這里，每個樂高積木的等效物都由DNA構(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)組成，DNA是我們遺傳密碼的著名分子庫。根據(jù)可靠的規(guī)則，組成DNA的四個核苷酸(通常標(biāo)記為A，C，T和G)會相互粘附：一個核苷酸始終與Ts配對，而C核苷酸始終與Gs配對。

利用堿基配對特性，這項新研究的通訊作者Petr Sulc等研究人員可以設(shè)計可在試管中成型的DNA納米結(jié)構(gòu)，就像在自動駕駛儀上一樣。

蘇爾克說：“如何設(shè)計構(gòu)件之間的相互作用的可能方法很多，這就是所謂的'組合爆炸'。” “不可能單獨(dú)檢查每個可能的構(gòu)建塊設(shè)計，看看它是否可以自我組裝成所需的結(jié)構(gòu)。在我們的工作中，我們提供了一個新的通用框架，可以有效地搜索可能的解決方案的空間并找到能夠自我解決的方案。 -組裝成所需的形狀，并避免其他不希望的組裝。”

Sulc是分子設(shè)計和仿生生物設(shè)計中心和ASU分子科學(xué)學(xué)院(SMS)的研究員。他的同事LukášKroc以及來自意大利的國際合作者Flavio Romano和John Russo也加入了他的行列。

這項新技術(shù)標(biāo)志著DNA納米技術(shù)飛速發(fā)展的重要墊腳石，自組裝形式正逐漸出現(xiàn)在從納米鑷子到尋找癌癥的DNA機(jī)器人的各個方面。

盡管取得了令人矚目的進(jìn)步，但依靠分子自組裝的構(gòu)建方法不得不與建筑材料的意外粘合相抗衡。挑戰(zhàn)隨著預(yù)期設(shè)計的復(fù)雜性而增加。在許多情況下，研究人員困惑于為什么某些結(jié)構(gòu)會從給定的基本構(gòu)件中自動組裝，因為對這些過程的理論基礎(chǔ)仍知之甚少。

為了解決這個問題，Sulc和他的同事發(fā)明了一種聰明的顏色編碼系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)法將堿基配對限制為僅在最終結(jié)構(gòu)的設(shè)計藍(lán)圖中出現(xiàn)的堿基配對，并禁止其他堿基配對。

該過程通過定制設(shè)計的優(yōu)化算法進(jìn)行工作，其中用于預(yù)期形式自組裝的正確顏色代碼以最小的能量產(chǎn)生目標(biāo)結(jié)構(gòu)，同時排除競爭結(jié)構(gòu)。

接下來，他們使用計算機(jī)設(shè)計了對光子學(xué)領(lǐng)域非常重要的兩種晶形：燒綠石和立方金剛石，從而使該系統(tǒng)正常工作。作者注意到，這種創(chuàng)新方法適用于任何晶體結(jié)構(gòu)。

為了應(yīng)用他們的理論框架，Sulc與Biodesign和SMS的同事Hao Yan和Nick Stephanopoulos教授開始了新的合作。他們共同致力于通過實(shí)驗實(shí)現(xiàn)他們能夠在仿真中設(shè)計的某些結(jié)構(gòu)。

Sulc說：“雖然我們框架的明顯應(yīng)用是在DNA納米技術(shù)中，但我們的方法是通用的，也可以用于例如從蛋白質(zhì)設(shè)計自組裝結(jié)構(gòu)。”