化学家是大自然的建筑师，是原子物质的装配大师。在掌握了中等复杂程度的单分子之后，他们渴望继续进行更加精巧的结构的搭建。那种建筑师式比喻的推动力是强大的，所以人们自然地想到了在分子水平上制造建筑拼板、球棍、积木、装配线等。化学家已自发地设计T各种具有不同刚性的小分子单元，它们希望能被安装，或自我安装到更大的、具有相当复杂性的指定结构中。

在这个不断发展的领域中，分子工程学最令人惊奇和发人深思的功绩之一就是纽约大学（New York University）的希曼（Nadrian Seeman）和他的同事所做的由DNA建造巨大的（相对于大多数分子而言）小棒形物、多面体和圈结的工作。

用DNA来建造行吗？看起来这个设想很疯狂——DNA并非“雕塑大师”典型的合成粘土。而且这想法似乎还践越了自然法则——从基因物质制造设有内在价值的几何物体。下面我们在考察后者之前，先来看看这些美丽的“雕塑”的原理。

运作于地球生命之中的核酸体系是通过进化优化了的化学形式。为什么不利用它呢？而且我们不是去做那些几乎注定要引发伦理学争论的人类基因操作，而是让人类去雕塑些崭新的、抑或美丽，抑或有用，并肯定非自然的东西。

DNA系统的基本内容是构成每一条DNA链骨架的糖-磷酸-碱聚合物和形成互补对的核苷酸碱基，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）、腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T），一条链与另一条链藉此结合，自然而然地形成了双螺旋结构。在诊断学的市场需求带动下，通过些简单的固体支持化学的手段，DNA自动合成仪已经发展到了这样一个阶段：即使是一个化学的初学者也能在一天内装配相当数量的100个碱基长的核酸链。

把两个双螺旋连在一起也相当容易。一条双链由互补的合成单链装配而成，只是其中之一被设计成一端多几个额外的碱基（这里是4个），这就造出了一个“粘性末端”。另一条带有互补的延伸链的双螺旋可与之结合，而聚合物骨架被一种DNA连接酶“焊接”起来。

这样就造成了一种线性伸长合成DNA的简单方法。下面就开始考虑建筑一个多面体。一条线状的DNA可以作为边，这很好，但事实上是各种顶角——三面的、四面的、五面的顶角决定了多面体。建造这类交会点可以通过核酸序列的精巧设计来实现（希曼正是这方面的专家）。这种顶角设计中一个最基本的特征是选择每一条DNA链的碱基序列使其它一些结构，例如配对双螺旋，形成的机会尽可能地减少，还要避免一种四条链的配合错误。

这些交会点是分叉点，但并不僵硬。双螺旋的臂可以弯出所画平面，这就使它们连入一个多面体成为可能。

现在我们就可以看看希曼和陈占辉（Jung huei Chen）建造DNA立方体的简单方法。首先他们搭了2个环，作为立方体的左右侧面。用一条合适的链合并，就把这些侧面连成了一条由3个正方形L（左）、F（前侧面）、R（右）组成的带子。这个中间结构最终被连成了立方体，位于末端的一组连结封闭了这个结构。

这个立方体状的分子由10条DNA链组成，有两条链包含80个核苷酸，另8条链为了提供粘性末端包含的核苷酸数目在40个上下。每一条边包括了20个核苷酸互补对和2个双螺旋的转折点，长约68?左右。实际上，这个立方体似的物体不仅是个多面体，若注意其中的DNA链，它是一个复杂的链圈，一个缠绕在一起但互相间不是共价键合在一起的六环系。

去角正八面体由张玉文（Yuwen Zhang）和希曼制成。它与立方体有相同的边长，20个核苷酸。分子骨架中包括了1440个核苷酸。它还有一些用于潜在的三维联接的额外的臂，总分子量估计接近800，000。

在建造和分析这些不可思议的物体时还使用了另一种生物大分子工具——限制性内切酶，我们称之为“灵巧的切刀”。这种酶可以在某一特定的碱基序列处或其附近切断一条核苷酸双螺旋。市场上可购买到许多这种酶。在合成中，“切刀”可以用来从包含着某些限制性内切酶对应的特定序列的核酸环中创造出新的粘性末端。

限制性内切酶还可用于这类极微量物质产品的分析，曲2条DNA链组成的多面体的每一边在建造时可带有某一特定的切点。那么这个给定的边，而不是其它边，可以被切开，留下一个具有特殊的缠绕复杂性的物体。就可应用分子生物学中工业化的分析技术——凝胶电泳法来鉴定这些碎片。通过一系列的此种切断和一些有益的探索性工作，就可以确定化合集合体的拓扑关系了。

请注意这里使用了“拓扑”而非“形状”。事实上交会点和缠绕DNA并非像这里的模型那样僵硬，而所制造的约只有几纳克的最终产物是不足以用于核磁共振或结晶学方法测定结构的。我们也还不知道这些家伙的真实形状。或许“立方体”实际是平行管状的，部分坍缩的，或某种方式扭曲了的，但它的立方体连接关系是毫无疑义的。

这些物体的一个有趣之处在于：尽管它们的超分子拓扑是对称的——立方体或去角八面体状，有同长的边——但在微观细节上其组成部件是互相区别的，每一边有不同的设计好的序列，我们在分子水平上做着相似性概念的游戏——由不相似的部件建成相似的物体及由相似的部件建成不相似的物体。

希曼和他的同事制这些东西的目的何在？部分地是为了检验分子设计的原理：组装一个复杂的结构立即可以向生活中的木匠或“分子木匠”揭示出分子单元或装配原则的不足之处。此外，这种物质在药物运送中有潜在的应用价值，还可作为结晶的“样板”或“脚手架”或者泛泛地说，对纳米制造技术很有用。

有机合成曾是一个熟悉的、具有典型意义的领域——使用纯净的反应物，服从严格限定的条件，可能要加入催化烟等等。这种实践曾经是，现在还是朴素而清楚的，靠着技巧，也靠着运气，可以合成出用于做物理方法的结构测定工作的足够多的物质。但仅仅在几年之内，形势显然已经变化了。请看：

1. 这里的合成，运用了连接酶和限制性内切酶，且从未制出足以做通常的结构测定的物质；

2. 基因工程方法的应用，束缚、合成基因，克隆技术，表达技术。细菌和兔子为你做着化学工作；

3. “图书馆”的使用。这是一个偶然设计制造的分子组成的巨大的随机的分子家族，可从中选择以完成某一任务。

我猜想在许多有机化学界的朋友的头脑中，对这些新的、令人眼花缭乱的制造分子的方法，对这些分子制造方式的选用，会有一些抵制，我会让他们想一想40年代时面对着结构测定的新兴物理方法的有机化学家们。如果连接酶或基因表达困扰了他们，我将让他们回想一下在不知道金属及其氧化物催化剂反应机理的分子细节的情况下，在一个普通反应中使用它们意味着什么？

在分子物质的制造中，一个方法是否“合用”应由时尚与传统决定。而这些DNA雕塑品确是有机合成中奇迹般的成就。

[American Scientist，1994年7~8月号]