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很像收銀員利用機(jī)器掃描包裝上的條形碼來識別顧客在商店中購買的物品，科學(xué)家們利用顯微鏡和它們自身各種條形碼來幫助辨別細(xì)胞的各個部分，或是疾病位點的分子類型。但他們的條形碼只有極少數(shù)的“種類”，限制了科學(xué)家們在任何時間研究的細(xì)胞樣品中對象的數(shù)量。
近日來自哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所的研究人員制造了一種新型的條形碼能夠具有幾乎無限的系列類型，相比以前有潛能使科學(xué)們在某個特定時間集合更多的重要信息。這種方法利用了DNA的天然自組裝能力，在線報道在9月24日的《自然化學(xué)》（Nature Chemistry）雜志上。
領(lǐng)導(dǎo)這一研究的是華裔科學(xué)家印鵬（Peng Yin，音譯），這位科學(xué)家主要研究方向是基于觸發(fā)分子幾何學(xué)的工程生物成像探針，曾榮獲2010年美國NIH院長創(chuàng)新獎。印鵬說：“我們希望這種新方法將為利用熒光顯微鏡研究復(fù)雜的生物學(xué)問題提供急需的分子工具。”
過去幾十年里熒光顯微鏡一直是生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的一種絕技。簡而言之，科學(xué)家們將熒光元件條形碼連接到分子上，隨后他們將分子附著到他們希望研究的細(xì)胞部分。照射樣本觸發(fā)每種條形碼在特異的光波長發(fā)出如紅色、藍(lán)色或綠色的熒光，指明目的分子所在的位置。
然而，這種方法受到可獲得顏色數(shù)量的限制——只有三或四種，有時候顏色還會變的模糊。這就是DNA條形碼的魔力所在：各種顏色的小點以幾何模式或熒光線性條碼排列，且組合幾乎是無限的，科學(xué)家們能夠在一個樣本中觀察到的不同分子或細(xì)胞的數(shù)量顯著增加，且顏色容易區(qū)分。
以下是它的工作原理：DNA折紙術(shù)（DNA origami）遵循著雙螺旋的基本原子即分子堿基A（腺嘌呤）只結(jié)合T(胸腺嘧啶)，而C（胞嘧啶）堿基只結(jié)合G（鳥嘌呤）。利用這些適當(dāng)?shù)?ldquo;規(guī)定”，長鏈DNA在短鏈的幫助下按程序通過自身折疊進(jìn)行自組裝構(gòu)建出預(yù)定的形式——很像將一張紙折疊構(gòu)建出傳統(tǒng)日本藝術(shù)中的各種圖樣。
對于這些結(jié)構(gòu)上更加復(fù)雜的DNA納米結(jié)構(gòu)，研究人員能夠隨后將熒光分子附著到理想的位點，然后利用折紙技術(shù)用少數(shù)的熒光分子生成大量的條形碼。由于它使得科學(xué)家們有可能比以往任何時候闡明更多的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，這可能會將許多添加到細(xì)胞成像的“工具箱”中。
印鵬說:“這些設(shè)計的DNA納米結(jié)構(gòu)固有的剛度是這種方法*大的優(yōu)勢：無需利用外力，它將熒光模式維持適當(dāng)?shù)奈恢谩＿€大有希望利用這種方法在自然環(huán)境中研究細(xì)胞。”作為概念證明，研究小組證實他們其中的一個新條形碼成功地附著到了酵母細(xì)胞表面。
還需要更多的研究來特別確定當(dāng)每種熒光條形碼一起混合在一種細(xì)胞樣本中時會發(fā)生什么，這是在真實生物學(xué)和醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中的例行程序。但也有許多好消息作為起點，印鵬說相比當(dāng)前的方法它的成本低、易操作且更為強(qiáng)大。
維斯研究所創(chuàng)會理事Don Ingber博士說：“我們正在快速推動利用折紙技術(shù)操作DNA分子的能力。它的潛力景觀是巨大的，從幫助我們開發(fā)靶向藥物傳遞機(jī)制到改善細(xì)胞和分子活動范圍，我們能夠利用*新的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)來觀察疾病的位點。”
