本所江宏仁副教授及其專題生趙予辰（目前就讀哈佛大學工程與應用科學博士班）與台大生技系陳彥榮副教授團隊合作，利用DNA摺紙 (DNA origami) 技術以DNA分子設計出奈米尺度的人工肌肉分子 (NanoMuscle)，並展示可控制的伸縮與量測其動態。該研究為第一個使用DNA分子來設計互鎖結構並具有可控制伸縮功能的生物分子奈米機械元件。此項成果於2020年二月刊登於英國皇家化學學會奈米科學研究指標期刊Nanoscale，並獲選為該年2月封面。

傳統的機械元件設計受限於加工尺度與驅動模式，在奈米尺度下要製作如肌肉般的機械元件並可以利用生物分子來驅動的構造十分困難。另一方面，由生命分子系統激發了材料的眾多進步，包括自修復聚合物複合材料，自組裝奈米顆粒，超疏水表面和刺激響應性聚合物等等。近年來DNA摺紙技術展示了一種設計與構造新分子元件的方法，可以經由序列設計來實現元件設計。DNA摺紙技術的原理是通過設計DNA鹼基配對序列將DNA「折疊」成所需的構型，是一種自下而上的技術。該技術的簡單性允許僅使用4種核鹼基（A，T，C和G）和沃森-克里克（WC）鹼基對以奈米級的精度構建任意結構。DNA摺紙的可編程設計和自動合成可以快速探索各種奈米結構。

 圖1: NanoMuscle合成途徑和與功能切換的方式。每個色帶代表10 bp長的功能性單股DNA。

圖2: 在每個階段組裝的NanoMuscle（a）完整的NanoMuscle：在其擴展或收縮狀態下均穩定。（b）添加單股DNA短鏈， NanoMuscle收縮。（c）添加另一股DNA短鏈，NanoMuscle延伸。（d）NanoMuscle 經過收縮與延伸後循環後，再次添加單股DNA短鏈使其收縮。（e）在（a）到（d）中提到的四個狀態下，NanoMuscle的比率。

在本研究中，我們的研究團隊實現了一種具有機械聯鎖的DNA摺紙的分子肌肉結構，直接由DNA序列設計出分子的結構，我們把這稱為NanoMuscle。NanoMuscle由兩個具有環狀結構的互鎖單體組成。通過精心設計的熱力學雙穩態，NanoMuscle可以實現一維收縮與延伸，這是在研究上使次使用DNA的序列設計來實現這樣的結構。我們通過凝膠電泳和穿射式電子顯微鏡（TEM）進一步證實了NanoMuscle的可逆結構變化。我們希望在未來NanoMuscle可以進一步組裝成複雜的結構，以實現DN序列來設計奈米機械中的各種精細運動與功能。

本研究團隊感謝科技部計畫經費支持。

江宏仁 國立臺灣大學應用力學研究所
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Nanoscale期刊全文
NanoMuscle: controllable contraction and extension of mechanically interlocked DNA origami
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/nr/c9nr06314e#!divAbstract