一系列令人印象深刻的建筑形式可以从被称为乐高积木的流行联锁积木中产生。所需要的只是孩子的想象力来构建几乎无限多样的复杂形状。在《物理评论快报》杂志上发表的一项新研究中，研究人员描述了一种在十亿分之一米的尺度上使用类似乐高的元素的技术。此外，他们能够哄骗这些设计元素进行自组装，每个乐高积木都可以识别其合适的配对并以精确的顺​​序连接以完成所需的纳米结构。

虽然新研究中描述的技术是在计算机上模拟的，但该策略适用于 DNA 纳米技术领域常见的自组装方法。在这里，每个乐高积木的等价物由一个由 DNA 制成的纳米结构组成，DNA 是我们遗传密码的著名分子库。构成 DNA 的四种核苷酸——通常标记为 A、C、T 和 G——根据一个可靠的规则相互结合：A 核苷酸总是与 Ts 配对，C 核苷酸与 Gs 配对。

利用碱基配对特性，这项新研究的通讯作者 Petr Sulc 等研究人员可以设计出可以在试管中成型的 DNA 纳米结构，就像在自动驾驶仪上一样。

“如何设计积木之间的相互作用的可能方法数量是巨大的，这就是所谓的‘组合爆炸’，”苏尔克说。“不可能单独检查每个可能的构建块设计并查看它是否可以自组装成所需的结构。在我们的工作中，我们提供了一个新的通用框架，可以有效地搜索可能的解决方案空间并找到自- 组装成所需的形状并避免其他不需要的组装。”

Sulc 是分子设计和仿生学生物设计中心和亚利桑那州立大学分子科学学院 (SMS) 的研究员。他的同事 Lukáš Kroc 以及来自的国际合作者 Flavio Romano 和 John Russo 也加入了他的行列。

这项新技术标志着快速发展的 DNA 纳米技术领域的重要垫脚石，自组装形式正在从纳米级镊子到寻找癌症的 DNA 机器人等各个领域中找到方法。

尽管取得了令人瞩目的进步，但依赖分子自组装的建造方法不得不应对建筑材料的意外结合。挑战随着预期设计的复杂性而增加。在许多情况下，研究人员对为什么某些结构从一组给定的基本构件进行自组装感到困惑，因为这些过程的理论基础仍然知之甚少。

为了解决这个问题，Sulc 及其同事发明了一种巧妙的颜色编码系统，该系统设法将碱基配对限制为仅出现在最终结构设计蓝图中的那些，而禁止交替碱基配对。

该过程通过定制设计的优化算法工作，其中用于预期形式自组装的正确颜色代码以最低能量产生目标结构，同时排除竞争结构。

接下来，他们将系统投入使用，使用计算机设计了两种对光子学领域非常重要的晶体形式：烧绿石和立方金刚石。作者指出，这种创新方法适用于任何晶体结构。

为了应用他们的理论框架，Sulc 与他在 Biodesign 和 SMS 的同事 Hao Yan 和 Nick Stephanopoulos 教授开始了新的合作。他们一起旨在通过实验实现他们能够在模拟中设计的一些结构。

“虽然我们框架的明显应用是在 DNA 纳米技术中，但我们的方法是通用的，也可以用于例如设计蛋白质的自组装结构，”Sulc 说。