江宏仁副教授跨校團(tuán)隊(duì)研究成果獲選《Nanoscale》期刊封面

本校應(yīng)力所江宏仁副教授及其專題生趙予辰(目前就讀哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)博士班)與臺(tái)大生技系陳彥榮副教授團(tuán)隊(duì)合作，利用DNA摺紙 (DNA origami) 技術(shù)以DNA分子設(shè)計(jì)出奈米尺度的人工肌肉分子 (NanoMuscle)，並展示可控制的伸縮與量測其動(dòng)態(tài)。該研究為第一個(gè)使用DNA分子來設(shè)計(jì)互鎖結(jié)構(gòu)並具有可控制伸縮功能的生物分子奈米機(jī)械元件。此項(xiàng)成果於2020年二月刊登於英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)奈米科學(xué)研究指標(biāo)期刊《Nanoscale》，並獲選為該年2月封面。

傳統(tǒng)的機(jī)械元件設(shè)計(jì)受限於加工尺度與驅(qū)動(dòng)模式，在奈米尺度下要製作如肌肉般的機(jī)械元件並可以利用生物分子來驅(qū)動(dòng)的構(gòu)造十分困難。另一方面，由生命分子系統(tǒng)激發(fā)了材料的眾多進(jìn)步，包括自修復(fù)聚合物複合材料，自組裝奈米顆粒，超疏水表面和刺激響應(yīng)性聚合物等等。近年來DNA摺紙技術(shù)展示了一種設(shè)計(jì)與構(gòu)造新分子元件的方法，可以經(jīng)由序列設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)元件設(shè)計(jì)。DNA摺紙技術(shù)的原理是通過設(shè)計(jì)DNA鹼基配對(duì)序列將DNA「折疊」成所需的構(gòu)型，是一種自下而上的技術(shù)。該技術(shù)的簡單性允許僅使用4種核鹼基（A，T，C和G）和沃森-克里克（WC）鹼基對(duì)以奈米級(jí)的精度構(gòu)建任意結(jié)構(gòu)。DNA摺紙的可編程設(shè)計(jì)和自動(dòng)合成可以快速探索各種奈米結(jié)構(gòu)。

在本研究中，我們的研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了一種具有機(jī)械聯(lián)鎖的DNA摺紙的分子肌肉結(jié)構(gòu)，直接由DNA序列設(shè)計(jì)出分子的結(jié)構(gòu)，我們把這稱為NanoMuscle。NanoMuscle由兩個(gè)具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的互鎖單體組成。通過精心設(shè)計(jì)的熱力學(xué)雙穩(wěn)態(tài)，NanoMuscle可以實(shí)現(xiàn)一維收縮與延伸，這是在研究上使次使用DNA的序列設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)。我們通過凝膠電泳和穿透式電子顯微鏡（TEM）進(jìn)一步證實(shí)了NanoMuscle的可逆結(jié)構(gòu)變化。我們希望在未來NanoMuscle可以進(jìn)一步組裝成複雜的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)DN序列來設(shè)計(jì)奈米機(jī)械中的各種精細(xì)運(yùn)動(dòng)與功能。

本研究團(tuán)隊(duì)感謝科技部計(jì)畫經(jīng)費(fèi)支持。

聯(lián)絡(luò)人：江宏仁副教授 國立臺(tái)灣大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所 hrjiang@iam.ntu.edu.tw

《Nanoscale》期刊全文：
“NanoMuscle: Controllable Contraction and Extension of Mechanically Interlocked DNA Origami”
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/nr/c9nr06314e#!divAbstract