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  • DNA microscopy，3年后更新专利新数据190620

    DNA microscopy是Broad研究所张锋等发明的一种观察细胞的新技术。

    技术原理
    先将细胞培养中选定的RNA反转录为cDNA，然后利用独特的核苷酸链（UMI）标记待研究的分子。这些标记会自我扩增，当它们扩增到与另一个cDNA标记接触时，连接处就会产生一个独特的核苷酸标签（UEI）。如果两个cDNA分子一开始十分接近，那么它们的扩增拷贝就会频繁地结合在一起，产生的标签就会比两个相距更远的cDNA分子更多。然后提取并分析细胞中DNA。借助算法推断出DNA分子的原始位置，从而生成图像。

    技术价值
    借助DNA microscopy，我们可以绘制出与合成DNA标签相互作用的分子群——细胞基因组、RNA和蛋白质。
    这是一种全新的生物学可视化方式。从某种意义上说，最初的cDNA分子就像无线电发射塔一样，以DNA分子的形式相互发送信息。研究人员可以检测到一座“信号塔”与附近的另一座“信号塔”的通讯，并使用“信号塔”之间的传输模式来映射它们的位置。
    传统的光学显微镜无法区分具有不同DNA的细胞，如具有特定基因突变的肿瘤细胞或免疫细胞。DNA microscopy可以通过识别能够攻击肿瘤的免疫细胞来帮助改善某些癌症的治疗。此外，随着神经系统的发育，细胞通常会产生独特的RNA来合成特殊的蛋白质，这项技术也可以帮助研究人员研究这类细胞。
    DNA microscopy直接从被研究的分子中捕获信息，开辟了一种将基因型与表型联系起来的新方法。

    技术不足
    该技术还不能揭示细胞内部的细节。

    商业研发
    空间基因组学相关技术在肿瘤学、神经科学和免疫学等疾病领域中将有很广泛的应用前景，而且有可能用于更广范围的生物学研究。目前，许多公司正在开发该领域的产品，包括10x Genomics、NanoString Technologies、Bruker、BioSpyder及Cartana等。

    发展历史
    2016年，张锋和Joshua Weinstein作为发明人申请DNA microscopy的专利（PCT/US2016/051164）。
    2019年6月19日，bioRxiv发布了“DNA microscopy: Optics-free spatio-genetic imaging by a stand-alone chemical reaction”的预览版，6月20日，Cell发布了全文。

    参考阅读
    https://www.biorxiv.org/content/10.1101/471219v1
    http://www.ebiotrade.com/newsf/2019-6/2019620153439603.htm
    https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30547-1
    测序中国微信公众号6月21日推文
    https://www.broadinstitute.org/patents/dna-microscopy
    https://www.broadinstitute.org/files/patents/WO2017044893_0.pdf

  • DNA纳米折纸术，纳米机器人|颜颢|2018年度科技进步

    DNA纳米折纸术是一种独特的自下而上构建DNA自组装纳米结构的方法。它是对DNA链进行折叠的一种技术。 作为一种精确高效的DNA自组装方法，DNA纳米折纸术可用于光学材料的精确可控制备、药物与基因靶向递送等诸多领域。

    美国《科学》期刊将该工作与同性繁殖、液体活检、人工智能一起，评选为2018年度世界四大技术进步。被The Scientist评为“2018年度科技进步” 。

    基本原理
    DNA可以按需求被折叠、粘贴，与它独特的双螺旋结构、碱基互补原则直接相关。碱基互补可以是DNA单链找到互补链，进入组成目标的形状。
    DNA纳米折纸术是以一条长单链DNA（通常是一条噬菌体的基因组DNA）为模板，在数百条短单链DNA（折叠链）的辅助下，通过核酸序列杂交形成预先设计的具有特定尺寸和形貌的二维或三维纳米结构。

    设计流程
    DNA纳米折纸术是分子自组装技术的一个典型范例，代表了人类借助自然进化的力量（DNA分子），实现了接近随心所欲的纳米尺度的3D打印。
    1）通过程序化软件进行序列设计；
    2）DNA混合进行退火杂交;
    3）DNA功能化修饰和纯化等

    应用案例
    利用DNA纳米折纸术创建了多种结构，静止结构如二维和三维晶体结构、毫微管、多面体和其他造型；功能结构如纳米机器、DNA计算机、药物载体等。
    DNA纳米折纸术在国内蓬勃发展，被广泛应用于纳米制造、纳电子和纳光子学、生物传感与纳米药物等领域。特别是在生物医药领域，DNA纳米折纸术更是提供了前所未有的精度来控制纳米药物的组装、控释和靶向。
    丁宝全课题组此次的研究成果主要是利用DNA折纸结构为载体高效且可控地实现了化疗药物阿霉素和线性小发卡RNA转录模板的共传递，通过RNA干扰的机制，有效地下调多个肿瘤耐药相关蛋白的表达，完成了化疗和基因治疗的联合给药。
    “小鼠活体实验结果表明，该类DNA纳米给药体系表现出非常好的肿瘤靶向性和生物相容性，能够对耐药性乳腺癌肿瘤模型产生显著的治疗效果。”丁宝全表示，该研究基于生物系统的天然核酸结构，实现了对肿瘤的协同治疗，扩展了基因治疗的研究思路和可应用的领域。
    2018年2月，Nature Biotechnology的一篇文章中， 亚利桑那州立大学的颜颢等基于自组装的 DNA 折纸技术，构造了携带凝血酶的纳米机器人系统。当这些纳米机器人遇到肿瘤特异蛋白时，就会释放凝血酶，通过选择性地切断血液供应来“饿死”肿瘤。该技术已成功使小鼠的乳腺肿瘤缩小，通过合理设计携带各种药物的不同纳米机器人组合或将有助于癌症治疗。

    技术难点
    制备成本高、稳定性差。
    钱璐璐团队开发了一款软件可以根据输入的图像设计一张DNA画布。画布由不同的DNA折纸组合而成，而每一块DNA折纸都需要精确设计。

    相关阅读
    折叠DNA有望精准制备纳米材料
    http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/11/419953.shtm
    https://www.nature.com/articles/nbt.4071