移過蒙娜麗莎，這里來了一個井字游戲。

大約一年前，加州理工學(xué)院的生物工程助理教授Lulu Qian在實驗室里的科學(xué)家宣布他們使用了一種稱為DNA折紙的技術(shù)來制作瓷磚，這些瓷磚可以設(shè)計成自組裝成更大的納米結(jié)構(gòu)，帶有預(yù)先設(shè)計的圖案。他們選擇制作世界上最小的標(biāo)志性蒙娜麗莎版本。

這項壯舉令人印象深刻，但該技術(shù)的限制與列奧納多達芬奇的油畫相似：一旦圖像被創(chuàng)建，就無法輕易改變。

現(xiàn)在，加州理工學(xué)院的團隊在技術(shù)方面再次實現(xiàn)了飛躍。他們創(chuàng)造了更具動態(tài)性的新瓷磚，使研究人員能夠重塑已經(jīng)建成的DNA結(jié)構(gòu)。當(dāng)加州理工學(xué)院的Paul Rothemund(BS '94)在十多年前開創(chuàng)DNA折紙時，他利用這種技術(shù)建立了一個笑臉。錢的團隊現(xiàn)在可以把那個笑容變成皺眉，然后，如果他們想要的話，把皺眉倒過來。他們甚至走得更遠(yuǎn)，制作了一個微觀的井字游戲，玩家通過在棋盤上添加特殊的DNA貼片來放置他們的X和O.

“我們開發(fā)了一種機制來編程復(fù)雜DNA納米結(jié)構(gòu)之間的動態(tài)相互作用，”錢說。“利用這種機制，我們創(chuàng)造了世界上最小的游戲板，用于玩井字游戲，其中每一步都涉及分子自我重構(gòu)，可以同時交換數(shù)百條DNA鏈。”

把碎片放在一起

該交換機制結(jié)合了兩種先前開發(fā)的DNA納米技術(shù)。它使用一個構(gòu)建塊和另一個概念：自組裝瓷磚，用于制作微小的蒙娜麗莎; 和錢的位移，已被錢的團隊用來建造DNA機器人。

這兩種技術(shù)都利用DNA的能力通過其分子的排列進行編程。每條DNA鏈由骨架和四種稱為堿基的分子組成。這些堿基 - 腺嘌呤，鳥嘌呤，胞嘧啶和胸腺嘧啶，縮寫為A，T，C和G-可以以任何順序排列，其順序代表可由細(xì)胞使用的信息，或者在這種情況下由工程納米機器使用。

使其可用于構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)的DNA的第二個特性是A，T，C和G堿基具有與其對應(yīng)物配對的自然趨勢。A堿基與T配對，C與G配對。通過擴展，任何堿基序列都希望與互補序列配對。例如，ATTAGCA將要與TAATCGT配對。

但是，序列也可以與部分匹配的序列配對。如果將ATTAGCA和TAATACC放在一起，它們的ATTA和TAAT部分將配對，并且不匹配部分將從末端懸掛。兩條鏈彼此相互補充越緊密，它們彼此之間的吸引力越大，它們的結(jié)合就越強烈。

想象一下在鋼絞線位移中會發(fā)生什么，想象一下兩個約會并有幾個共同點的人。艾米喜歡狗，遠(yuǎn)足，電影和去海灘。亞當(dāng)喜歡狗，徒步旅行和品酒。他們對狗和徒步旅行的共同興趣結(jié)合在一起。然后另一個人進入了畫面。艾迪碰巧喜歡狗，遠(yuǎn)足，電影和保齡球。艾米意識到她與艾迪有三個共同點，而且與亞當(dāng)只有兩個共同點。艾米和埃迪發(fā)現(xiàn)自己被彼此強烈吸引，而亞當(dāng)被傾倒 - 就像一個被取代的DNA鏈。

其他技術(shù)，自組裝瓷磚，更容易解釋。從本質(zhì)上講，瓷磚雖然都是方形的，但其設(shè)計的行為類似于拼圖游戲。每個瓷磚在組裝的圖片中都有自己的位置，它只適合那個位置。

在創(chuàng)造他們的新技術(shù)時，錢的團隊灌輸了具有位移能力的自組裝瓷磚。結(jié)果是瓷磚可以在結(jié)構(gòu)中找到它們的指定點，然后踢出已經(jīng)占據(jù)該位置的瓷磚。雖然Eddie只與一個人結(jié)合，導(dǎo)致另一個人被踢到路邊，但瓷磚更像是一個被收養(yǎng)的孩子，他們與一個新家庭如此緊密地聯(lián)系在一起，他們將“最喜歡的”稱號從生物后代中取出。

“在這項工作中，我們發(fā)明了瓷磚位移的機制，它遵循鏈移位的抽象原理，但在DNA折紙結(jié)構(gòu)之間以更大的比例發(fā)生，”錢的前研究生Philip Petersen(博士'18)說，該研究的作者。“這是第一種可用于在多個相互作用的DNA折紙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中編程動態(tài)行為的機制。”

讓我們玩

為了開始這個井字游戲，錢的團隊在試管中混合了空白板磚的解決方案。一旦電路板自行組裝，玩家就會輪流添加X瓦片或O瓦片。由于它們是由可編程的DNA制成的，因此瓷磚被設(shè)計成滑入板上的特定位置，取代那里的空白瓷磚。例如，X瓦片可以設(shè)計成僅滑入板的左下角。玩家可以通過使用設(shè)計用于他們想要的地方的瓷磚將X或O放入他們想要的任何空白位置。經(jīng)過六天的游戲玩法，玩家X獲得了勝利。

很明顯，沒有父母會急于給他們的孩子買一個需要將近一周時間玩的井字游戲，但是井下運動并不是真正的重點，高級博士后學(xué)者Grigory Tikhomirov和共同首先說道。該研究的作者。目標(biāo)是利用該技術(shù)開發(fā)納米機器，這些納米機器在已經(jīng)建成后可以進行修改或修復(fù)。

“當(dāng)你得到一個爆胎時，你可能只需更換它而不是買一輛新車。對于納米級機器來說，這種手動維修是不可能的，”他說。“但是，通過我們發(fā)現(xiàn)的瓷磚置換工藝，可以更換和升級工程納米級機器的多個部件，使其更加高效和復(fù)雜。”