這些 DNA 結構形狀像狗、星星和蒙娜麗莎，如果不是只有奈米寬，你可能會誤以為它們是造型有趣的通心粉。南韓科學家利用一種稱為 DNA 摺紙的技術，將遺傳物質彎曲成任何形式，創造出這些結構。通常，設計 DNA 股使其摺疊成特定形狀需要繁瑣的手動工作，但這些有趣創作背後的研究人員開發了一種利用生成式 AI 的捷徑。
這個名為 Generative SNUPI（Structured Nucleic Acids Programming Interface 的縮寫，靈感確實來自一隻狗）的 AI 模型，由首爾大學（SNU）和漢陽大學的研究團隊共同開發。其相關研究已被《自然通訊》（Nature Communications）接受發表，展示該模型能生成在現實世界中可行的 DNA 摺紙設計，以滿足使用者要求的形狀。
對於像蒙娜麗莎這樣的設計，這不只是簡單地描繪輪廓；該模型會考慮 DNA 的化學規則，告訴研究人員未配對的 DNA 股應如何排序，以便分子力能使其自發地彎曲成所需的形狀。
DNA 摺紙技術已經存在二十年，潛在應用範圍從奈米級機器人到與細胞相互作用的治療結構。然而，這些創新一直受到 DNA 結構設計過程耗時且昂貴的限制。
首爾大學博士生 Kyounghwa Jeon 表示：「傳統上，我們需要一些專業知識、背景知識和訣竅來設計我們打算製造的適當奈米結構。」這項工作需要人類操作演算法並調整結果，直到達到所需的形狀且結構穩定為止。她說，有了 Generative SNUPI，使用者理論上可以直接從繪製目標形狀，到實際組裝 DNA。
卡內基美隆大學機械工程教授 Rebecca Taylor（未參與此研究）表示，這個新的生成式平台對研究人員來說令人興奮。「整個領域的發展既受其工具的推動，也受其工具的限制。當你創造一個能實現新技術、新能力的新工具時，這對該領域來說就是一個巨大的進步。」
Generative SNUPI 設計的 DNA 序列，在合成後會摺疊成使用者要求形狀的奈米級複製品。設計 DNA 摺紙的過程始於一個目標形狀，這可以是具有複雜曲線的形狀，例如狗臉的輪廓，也可以是更簡單的幾何圖案。接下來，新技術發揮作用：Generative SNUPI 應用擴散模型，該模型會對輸入形狀添加和精煉雜訊，以 DNA 形式創建所需的輸出。
擴散模型正是 DALL-E 和 Midjourney 等平台生成 AI 圖像的方式。
Taylor 說：「這看起來就像是孩子們的手工藝品，你用膠水裝飾一些東西，然後撒上亮粉。」當雜訊被移除——或者亮粉被抖掉——設計就顯現出來了。「他們基本上只是說『用 DNA 填充我擁有的這個指南』，但他們也知道 DNA 是如何組合在一起的……這正是它真正受過訓練的地方。」
一旦 Generative SNUPI 返回形成目標形狀的 DNA 序列，手工藝的比喻仍在繼續。科學家化學合成稱為「釘書針」（staples）的短 DNA 股，並使用生物方法生產稱為「骨架」（scaffold）的長股。Jeon 說，釘書針以一種「非常類似於釘書機釘紙」的方式將骨架拉成形狀。
釘書針與骨架的關係利用了 DNA 必須將鳥嘌呤與胞嘧啶、腺嘌呤與胸腺嘧啶鍵合的特性；這些分子的確切位置由 Generative SNUPI 在設計過程中決定。首爾大學機械工程助理教授 Do-Nyun Kim 指出，研究人員能夠生產各種 DNA 摺紙結構，但有些一開始並未能保持其形狀。
他說：「這並非 Generative SNUPI 出錯，而是因為繪製的形狀實際上結構不穩定。」為此，他們在實際設計 DNA 序列之前增加了一個步驟，以預測輸入形狀的結構完整性。
Kim 表示，為了擴展 Generative SNUPI 在實際應用中的能力，DNA 摺紙設計需要比模型目前能生產的更具彈性。這項技術若能充分發揮潛力，可能意味著藥物輸送和免疫療法等拯救生命的用途，但這些用途通常需要靈活性。他說：「大多數分子結構都是動態的，會響應外部刺激而重新配置以執行其指定功能。因此，我們計劃在未來的研究中將目前的工作擴展到動態可重構結構的設計。」