海阔凭鱼跃 沈海军的航空与纳米 ...分享 http://blog.sciencenet.cn/u/沈海军 同济大学 教授Email:SHJ@tongji.edu.cn /SHJ@nuaa.edu.cn 版权所有

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配图后的“DNA纳米艺术”文章 精选

已有 9490 次阅读 2009-3-22 13:06 |个人分类:休闲生活|系统分类:科普集锦|关键词:学者

    应科博网同仁邀请,给“DNA纳米艺术”一文进行了配图,配图后的文章贴出来,奉献给大家。
沈海军 图文
这是一个连厕所手纸都能跟纳米扯上关系的时代。这不,就连艺术也和纳米掺和上了。纳米艺术是近几年随着纳米科技的飞速发展而产生的一门非主流纳米学科分支。纳米艺术是使用纳米科技手段、方法创作的纳米尺度的或反映纳米科技题材的艺术。
作为纳米科技的研究热点之一,基因工程近些年来发展得如火如荼。在基因工程中,DNA是的生物学家关注的焦点,它精确地携带着每种生物的遗传信息。DNA分子的双螺旋结构是如此地神奇,诱发了科学家们无限的艺术遐想。现在,科学家已经发明了DNA折纸术、DNA模板印刷、DNA音乐、DNA原子力显微镜拼图等相关DNA技术。利用这些技术,DNA不仅可以绘画,还可以谱曲,为我们提供了高层次高品位的纳米艺术享受。 

 DNA医学动态素材预览图 点击看大图

神秘的DNA

一、DNA折纸术
2006年3月,英国《自然》杂志上发表了保罗·罗斯蒙德的杰作:一副二维结构的精美的美洲地图。该作品是由DNA链折叠而成,是一个大约100纳米见方的“折纸作品”, 它共包含了200个像素,每个像素均为一条短的DNA链。这是一个连高倍光学显微镜都无法分辨的作品,必须依靠分辨率极高的电子显微镜或原子力显微镜才能观看。

DNA美洲地图

保罗绘制DNA美洲地图所采用的方法大概如下:从M13噬菌体中提取DNA单链;然后,通过计算“裁”出短的DNA单链并着手人工合成;接着,将DNA单链与合成好的DNA片段混合后退火,最后得到一个个设计样式的DNA超级大分子,即最终的DNA图形。这项工作的前提是充分了解DNA单链折叠的动力学特征,操作中的关键步骤是通过计算机模拟计算获得上百条特异性的DNA序列。
 DNA方形、DNA矩形、DNA五角星、DNA笑脸
目前,通过这种DNA“折纸术” 已折叠了多种二维纳米结构,如DNA方形、DNA矩形、DNA五角星、DNA笑脸等。近来,采用类似的方法,上海交通大学Bio-X中心和中国科学院上海应用物理研究所合作也构造出了纳米结构的“DNA中国地图”,相关研究结果已经正式发表在《科学通报》杂志英文版上。

DNA中国地图

 
二、DNA模板印刷
DNA是纳米技术中最常使用的建筑模块,通常被用来控制建造有序的纳米结构。在很大程度上,DNA被认为有望成为自下而上制造微型电子线路的基本模块。现在,一组来自美国Brigham Young大学的科学家们正把DNA自组织技术同微制造印刷术结合起来,用来制造纳米通道等纳米结构。当然,这种印刷技术同样也可以被用来绘制纳米绘画作品。这项发现为目前光学印刷术所达不到的尺寸下的纳米加工开辟了新的路径。
该技术的发明者为Woolley和Becerril。这是一种利用DNA为模板来定义基底图案的方法。他们把DNA在基底上排列整齐,再在上面沉积一层金属膜。DNA分子起纳米蜡纸的作用,这样来便在基底上定义了一些小于10纳米的图案。由于金属膜以一定角度沉积,DNA分子的投影定义了基底上的图案,因此,这种方法也被研究人员称为“DNA投影纳米印刷术”。接着,研究人员使用半导体工业中常用的等离子体对图案表面进行刻蚀,在基底上便可得到纳米尺寸的沟槽。如果这种沟槽拼出的图像设计得足够精巧,那么就会够成一副上乘的纳米绘画佳作。

DNA为模板印刷 

三、DNA音乐
你欣赏肖邦的《葬礼进行曲》时,也许眼前会出现一个受尽苦楚的老人,正在冷漠的世界中寻找最后的归宿;也许你会感到自己正随着送葬的队伍,在严冬的风雪中蹒跚而行……令人难以想像的是,这一富有艺术魅力的乐曲,竟和生物体细胞中的遗传物质-DNA的音乐不谋而合。难道DNA中也有音乐?
DNA中怎么会出现《葬礼进行曲》的乐谱?这里,不妨从近年来DNA研究的一项重大突破谈起。首先发现DNA音乐的是日本癌症研究中心的两位生物学家。DNA分子是由两条DNA链相互缠绕而成。DNA由脱氧核糖、碱基和磷酸组成。构成DNA的碱基有四种:腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。两条DNA链上碱基的排列顺序,不是杂乱无章的。通常,一条长链上的鸟嘌呤只能与另一条链上的胞嘧啶互相结合,构成碱基对G-C或C-G;腺嘌呤只能与胸腺嘧啶结合,构成碱基对A-T或T-A。两位日本生物学家在进行DNA研究时,别出心裁地用音符来代替碱基排列顺序-选择音符“2”、“3”、“5”、“6”来取代G、C、T、A。他们把人体白血病病毒的一种DNA的碱基排列顺序配成乐谱,并用电子乐器演奏时,人们会感到缠绵悱恻,潸然泪下。
DNA音乐问世后,整个生物学界轰动了。在欧美及日本学者的努力下,DNA变奏曲、DNA组曲等应运而生,它们以迷人的旋律赢得了众多的观众。更有甚者,有位科学家把人体胰岛素DNA的碱基排列配成乐谱,结果发现它与肖邦《葬礼进行曲》第三乐章的中间部分十分相似。
最近,根据麻省理工学院的技术评论报导,一位在麻省理工学院从事医学研究的 Gil Alterovitz 博士,最近正利用数学方法,将 DNA 信息转换成音符,这种DNA音乐渴望被用来区分癌细胞与正常细胞的差异。
 

                        DNA音乐
 四、DNA原子力显微镜拼图
原子力显微镜是一种利用原子、分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的显微技术。它有一根纳米级的探针,被固定在一个极小的微悬臂上。当探针很靠近样品时,其顶端的原子与样品表面原子间的作用力就会使悬臂弯曲,偏离原来的位置。根据该偏离量,原子力显微镜就能间接地探测出样品的表面形貌或原子、分子。
  现在,利用原子力显微镜不仅可以看到原子、分子,还可以搬动(操纵)原子、分子。由于DNA分子通常是链状的,因此,利用原子力显微镜探针在基体表面上“拨弄”DNA链,就能够形成各种各样的图线或图形。显然,这是一种纳米绘画创作的好思路。这里,值得一提的是,目前,瑞士生命物理实验室的科学家已经采用这种方法成功绘制了高度仅为100nm左右的“DNA鹅”; 此外,我国上海应用物理研究所的李民乾研究员也采用类似方法成功“书写”了字高仅为几百纳米的“DNA”英文字样。

    

           DNA鹅                                 DNA书写的“DNA”



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