納德里安·西曼（1945—2021）

編譯 許林玉

眾所周知，納德里安·西曼（Nadrian Seeman）是第一個認(rèn)識到DNA可用于設(shè)計和建造可編程納米結(jié)構(gòu)和納米機(jī)器的人。得益于這種有關(guān)自組裝的創(chuàng)新思維方式，他助力化學(xué)成為一門信息科學(xué)。2021年11月16日，西曼溘然長逝，享年75歲。

1945年，西曼出生于美國伊利諾伊州芝加哥。他的中學(xué)生物老師點(diǎn)燃了他對科學(xué)的熱情。2010年，西曼榮獲卡夫里納米科學(xué)獎。他在自傳中寫道：“我之前并不知道，當(dāng)每天的大部分時間都用來做研究時，不僅可以享受其中，而且還能獲得回報。”

盡管西曼自認(rèn)為學(xué)習(xí)并不勤奮，但他還是在芝加哥大學(xué)獲得了生物化學(xué)博士學(xué)位，而后又到匹茲堡大學(xué)轉(zhuǎn)攻晶體學(xué)。從事博士后研究期間，他在麻省理工學(xué)院與DNA化學(xué)先驅(qū)亞歷山大·里奇（Alexander Rich）一起共事。1977年，他進(jìn)入紐約州立大學(xué)阿爾巴尼分校生物學(xué)系任教，但這段經(jīng)歷卻令他不堪回首。他寫道：“唯一比找工作更糟糕的事是找了一份這樣的工作。”

在阿爾巴尼分校工作期間，他表面上仍然從事晶體學(xué)研究，但實(shí)際上卻在新的研究領(lǐng)域埋頭苦干。當(dāng)時，一位博士后請他建立自然存在并被稱作霍利迪連接體的分叉雙鏈DNA結(jié)構(gòu)的模型。由此，他的人生開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。

一天，西曼坐在阿爾巴尼分校的酒吧里，想起了荷蘭圖形藝術(shù)家埃舍爾（M.C.Escher）的作品《深度》。這讓西曼豁然開朗——霍利迪連接體的分支單元可以以類似的方式在頂端相互作用，自組裝成有序的結(jié)構(gòu)。如果頂端是較短的單鏈DNA片段，它們的末端就會粘附在其他互補(bǔ)的DNA序列上。

據(jù)西曼回憶，他曾在1982年的論文中簡要介紹用DNA連接體制作晶格的想法，但沒有得到任何回應(yīng)。1991年，他和他的研究生陳俊輝（Junghuei Chen）合成了一個形狀像立方體邊緣的DNA分子，這才引起了人們的更多關(guān)注。在紐約大學(xué)化學(xué)系，他們采用三臂霍利迪連接體作為頂點(diǎn)。

起初，這一成果被認(rèn)為是一種奇特的東西，但西曼又設(shè)計出更多頗具前景的架構(gòu)和功能。在與加州理工學(xué)院的埃里克·溫弗里（Erik Winfree）以及其他人的合作中，他開始從算法的角度思考組裝問題：通過序列對DNA組分進(jìn)行編程，使其以特定的相互作用規(guī)則所支配的方式連接起來。1998年，溫弗里、西曼與他們的合作者創(chuàng)造出二維DNA陣列之后，又創(chuàng)造了DNA“瓦片”。這些DNA“瓦片”可按照算法自組裝成一個連接嵌合體，從而執(zhí)行某種計算。

從20世紀(jì)90年代末開始，許多其他實(shí)驗(yàn)室都積極應(yīng)對后來被稱為DNA納米技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)。為此，西曼感到非常欣慰。他在一次采訪中表示：“我們不必再去構(gòu)建所有的想法，也不必將所有的錯誤都犯一遍。”

DNA納米技術(shù)的目標(biāo)之一是將納米結(jié)構(gòu)用作支架，例如，將難以單獨(dú)結(jié)晶的分子排列成規(guī)則的陣列。另一個目標(biāo)是將這些生物相容性材料用于給藥裝置和組織工程。

加州理工學(xué)院的保羅·羅斯蒙德（Paul Rothemund）開發(fā)了一種可編程的方法來制作“DNA折紙”。通過這種方法，可以在折疊鏈中或多或少地創(chuàng)建適用于任意形狀的指令。西曼和其他人使用可以分開的較短單鏈?zhǔn)菇M裝具有可逆性，從而將DNA納米結(jié)構(gòu)塑造成動態(tài)納米機(jī)器。

西曼言語坦率，敢于自嘲，特立獨(dú)行，有愛心又善于表達(dá)，固執(zhí)又富有遠(yuǎn)見。用溫弗里的話說：“西曼的思維方式與眾不同，DNA納米技術(shù)出自他之手并非偶然。”

西曼一生屢獲殊榮，其中包括2008年美國化學(xué)學(xué)會頒發(fā)的尼科爾斯獎?wù)隆Ｈ欢嬲倪z產(chǎn)是開創(chuàng)了一個具有驚人獨(dú)創(chuàng)性的領(lǐng)域，其全部潛能還有待挖掘。羅斯蒙德感慨道：“自西曼的最初設(shè)想以來，DNA納米技術(shù)已經(jīng)擁有自己的生命。我們期待誕生一個全新的DNA世界，全DNA‘細(xì)菌’可在其中自由蠕動、繁殖、計算。”

資料來源Nature