最近，哥倫比亞大學化學工程系與布魯克海文國家實驗室（BNL）科學家合作，開發出一種新的設計方 法：把帶有單鏈DNA（ssDNA）接頭的膠體通過互補堿基對的結合，自行拼接組裝在一起，這種DNA雜交 會形成有序的膠體晶體，以此可以得到想要的納米結構材料。

　　將設計框架反過來

　　“DNA拼接納米粒子的設計很有挑戰性，因為許多實驗參數在自組裝中起著關鍵作用。”哥倫比亞大學 溫卡特·溫卡塔薩布拉曼尼亞教授說，“參數空間會變得很大，有很多局部極小值限制，要用嘗試法找 到參數空間是非常困難的。”遺傳算法（GA）則是逆向設計框架，模仿了自然選擇的過程，能更系統地 搜尋參數空間，使設計過程更有效率。

　　另一挑戰是可靠的推演模型。研究人員從模擬時間、DNA屬性、斥力作用和熵限制等多方面考慮，選擇 了更簡單的互補接觸模型（CCM），并在模型中加入了新參數，如熵貢獻和斥力作用，以使它更完善適 用。“CCM在捕捉實驗觀察主體方面非常成功，能很快算出有效的GA耦合，并在幾分鐘內對所要求的設 計參數做出預測。”溫卡塔薩布拉曼尼亞說，“膠體大小比例、每個納米粒子中的DNA接頭的數量、想 要的晶體結構等，讓設計問題變得極為復雜。這些問題很難通過傳統途徑，如嘗試、啟發、數學規劃等 方法來解決。”

　　關鍵的創新是將設計框架反過來，更有效地利用CCM推演模型的信息，與遺傳算法相結合，這樣就得到 一個高效而且可升級的最優化設計程序。溫卡塔薩布拉曼尼亞說：“遺傳算法是自然如何設計復雜的分 子和生物，本質上，我們是讓DNA拼接參數‘基因庫’朝向我們想要的結構演化發展——也就是‘最適 合的’。”

　　檢驗過程中的意外發現

　　對方法的實驗檢驗是另一個挑戰。哥倫比亞大學薩那特·庫瑪說：“我們決定先預測那些實驗中已經觀 察到的納米晶體結構，測試一下方法框架；下一步，我們創造了一個晶體結構庫，包括那些已通過實驗獲得的晶體——具有特定的相關實驗參數，如DNA納米粒子中的DNA連接比例、大小等。然后我們運行基因算法，用CCM作為推演模型，以得到實驗中觀察到的晶體結構。我們很高興，遺傳算法正確地預測出 了實驗參數，用這些參數就能造出我們觀察到的結構。”

　　“初步實驗研究顯示，改良模型與實驗結果吻合得更好。”論文第一作者芭比·斯里尼瓦桑說，“最近 我們進行了一次全面分析，利用開發的模型，能確定所有230種不同的晶體空間集合，這些能與遺傳算 法一起用于晶體晶格設計。”

　　模型還產生了意外的結果，他們的發現解釋了4種最近未能觀察到的結構。“在由‘無機晶體結構數據 庫（ICSD）’生成的晶格庫中，我們能識別出一些參數，這些參數能形成那些實驗室里曾觀察到的晶體 結構，還可能形成了不曾觀察到的4種新結構。”斯里尼瓦桑說，“這些結果在設計DNA拼接納米材料方 面起著關鍵作用。”這一框架是普遍性的，可以擴展用于先進材料合理設計，但它又與分子動態模型不 同，推演路徑模型在計算上是高效的。“我們加強了CCM法，這有可能幫我們窮盡整個晶體空間，找到 合適的設計結構。”

　　除了球形的ssDNA拼接納米粒子，還可以進行其他創新。研究小組與布魯克海文國家實驗室合作，引入 了不同形狀的外部圖案。“不同的形狀讓我們能控制粒子之間的互動距離和大小，產生球形粒子無法形 成的晶格。我們已經開發出一些方案，能設計出多種納米晶體的晶格。”庫瑪說，“目前的研究集中在 開發以熵為基礎的模型，且能唯一確定DNA拼接納米材料的晶格。經實驗驗證了這一模型后，將被用于 GA框架的合理設計。我們打算將合理設計策略擴展到有外部圖案的晶體結構中。”

　　推廣起來并不難

　　傳統上，研究中所用的愛迪生法涉及到采用一種系統，再檢驗它的屬性；而更好的替代方案是瞄準一套 屬性，然后在此基礎上設計最恰當的系統。研究人員說，用遺傳算法來設計ssDNA拼接粒子，這些粒子 可以組裝成人們想要的結構。他們這種方法很容易推廣，速度快而且可選擇性強，能精確再現有關參數 規格，而且能揭示那些觀察不到的結構。

　　雖然這些結構要通過實驗才能證明是否真的存在，但科學家們相信，這種方法有著廣闊的應用前景。這 一研究也可能讓其他領域受益，為科學家們提供新范式來增加思路，拓寬研究視野。“我們的框架克服 了這些難題，從某種意義上說，把達爾文進化模型與計算方法結合，我們正在影響著自然發現新材料的 進程，可能引起材料設計的革命。我們日常生活中的各種產品，都可能受其影響，從藥物、殺蟲劑、除 草劑、燃料添加劑、涂料、清漆，到個人用的香波。”溫卡塔薩布拉曼尼亞說。

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