2006年，加州理工学院(Caltech)的保罗罗瑟蒙德(Paul Rothemund)博士开发了一种技术，可以根据预设的设置将DNA折叠成特殊的形状。这种技术也被戏称为“DNA折纸”。它允许科学家控制DNA的自我组装，并将其拼成特定的形状。100纳米的笑脸是科学家的杰作。
除了好玩，这项技术还带来了纳米技术领域的一场革命：人们可以利用这项技术制作分子级的“器件”或分子级的“智能材料”，从而带来无限的应用可能性。但是，为了进一步拓展纳米技术的应用前景，我们仍然需要大大增加“DNA折纸”的尺寸。
今天，同样来自加州理工学院的钱璐璐教授开发了一种低成本的“DNA折纸”技术，可以让大块的结构自我组装，形成完全定制的结构。为了突出这项技术的潜力，钱露露的研究小组用DNA创造了世界上最小的蒙娜丽莎画像。这一突破性成果登上了最新一期《自然》杂志的封面。
蒙娜丽莎这次是用DNA组装的(来源：钱露露教授研究组/加州理工学院)
今天的研究也上了《自然》的封面(来源：《自然》)
说到这里，可能有些读者会有疑问。DNA不就是储存遗传信息的材料吗？它对于折纸有什么用？纳米技术专家不这么认为。在他们眼里，DNA是一种杰出的化学物质。——DNA中的四个碱基可以精确地相互匹配，形成稳定的结构。
例如，为了将DNA弯曲成所需的形状，纳米专家将在环境中提供一个长的单链DNA，并辅以几个短的单链DNA，这些短的单链DNA可以与单链DNA的不同区域互补。精确匹配后，原始单链DNA的互补区域将折叠，允许整个分子自组装成所需的结构。通过组合不同的小折纸，你可以拼出一个更大的结构。
人们一直对DNA折纸情有独钟(图片来源：《自然》)
说起来容易做起来难。要想让DNA组装成复杂的结构，就必须对DNA的生化特性有深入的了解。如果不能准确预测每张折纸的折叠方式，就不可能将其组装成复杂的结构。除此之外，我们还需要升华一层，了解每一个DNA折纸的生化特征。这样才能保证不同的折纸块找到自己的伙伴，按照正确的位置组合拼接在一起。
这是钱露露教授团队面临的挑战。为此，他们专门开发了一款软件，可以根据输入的图像设计出“DNA”画布。画布由不同的DNA折纸组成，每一张DNA折纸都需要精准的设计。
“我们可以为每一段DNA折纸添加不同的边缘，将它们与特定的DNA折纸相结合，并在特定的位置进行自组装，形成DNA超结构，”该研究的共同第一作者Grigory Tikhomirov博士说。“但是，我们需要设计数百种不同的边缘。这在合成上非常昂贵，因此很难设计。我们希望使用很少的边缘特征，但仍然让不同的折纸找到自己的位置。”
关键是一步一步组装。想象一下我们如何玩拼图。每个拼图只有四个面，每个面的外观都是有限的。但是如果我们先把几块拼图拼在一起，就可以让这一小块拼图有独特的边缘。我们可以以这些拼图为中心，拼出整个拼图。
本研究的组装思路(来源：钱璐璐教授研究组/加州理工学院)
这是钱露露教授课题组的思路。“我们合成了每一个小折纸，并把它们放在不同的试管中。有64个这样的试管，”这项研究的另一位合作者、研究生菲利普彼得森说。“我们知道每个试管中的折纸块是什么，所以我们知道如何组合它们来组装最终产品。首先，我们从每4个试管中取出折纸碎片并组装它们。所以你得到了16个22的折纸积木。同样的，我们进一步组装了一个4x4的折纸积木。最终我们组装了一个88的大折纸块，由64个小折纸块组成。我们设计了每一小块的边缘，所以我们知道它们将如何组装。”
这个88的折纸块比Rothemund博士在2006年折叠的DNA大64倍。由于研究人员反复使用相同的边缘进行组合，实际上研究人员的工作量并不多。这样可以在保持成本接近的情况下，扩大DNA折纸的应用前景。
研究人员还组装了细菌(上)和公鸡(下)(图片来源：钱露露教授的研究小组/加州理工学院)
“为了使其他对平面DNA纳米结构感兴趣的研究人员能够快速使用我们的技术，我们开发了一个在线软件工具，可以直接将用户喜欢的图片转换为DNA链，并提供实验方法，”钱璐璐教授说。这种方法可以被机器人直接读取，自动混合DNA链。我们不需要太多的努力就可以让DNA自组装成我们想要的纳米结构。"
参考数据
[1]世界上最小的蒙娜丽莎
[2]具有任意图案的微米尺度DNA折纸阵列的分形组装
[3] DNA自我组装规模扩大