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Science封面:我这里有一条祖传的DNA,送给你去做机器人吧

除了遗传,DNA还能干什么?

这里有一个备选答案:组装成机器人。

本周《科学》(Science)杂志的封面故事,讲的就是来自德国的科学家们,使用DNA分子,成功组装出一个可以远程控制的纳米机械臂,并用它完成了一项壮举——推动一个纳米金颗粒

在DNA组装而成的条带状平台(灰白色)上,安置了多个同样为DNA构成的纳米机械臂(蓝紫色),亮黄色的部分可以检测机械臂的运动位置。通过施加电场,可以精确地控制纳米机械臂旋转。这套装置可以进一步发展成为纳米机器人的一部分。图片来源:Science | 制图: C. Bickel/Science | 数据支持: E. Kopperger,F. C. Simmel/Technical University of Munich  

起初,DNA是生物学家的美梦。这条由四种碱基拼凑的长链,藏着生命的大部分秘密。后来,这种奇特的大分子,又引起了纳米科学家们的兴趣。

原因有二:

  1. DNA分子是柔韧又强健的碱基结合,能确保长长的DNA链扭曲弯折而不断裂;
  2. 只要设计合理,可以通过碱基对把两条DNA完美地连接起来,就如同拼乐高积木一样,可以把许多DNA片段拼成想要的图案。

为了更好地操控组装DNA片段,一种名为“DNA折纸术(DNA origami)”的技术应运而生。2006年,一位名叫Rothemund的美国科学家就用一条具有7000个碱基对的DNA长链,弯曲、折叠出一个笑脸[1]

使用DNA折纸术,将DNA分子折叠成笑脸的形状,图片来源:参考文献[1]

于是,DNA就开启了它的画家之路。人们使用DNA能够折叠出来的形状也越来越复杂:地图、星星、盒子,甚至还能拼出一个蒙娜丽莎[2]!这也间接地证明了一句话:“每个科学家,不过是长大了的孩子”。

DNA分子折叠成的形状愈发复杂,图片来源:参考文献[2]

但是,德国一群来自慕尼黑的研究人员,觉得这些远远不够——他们不只想拥有精巧的图案,还想让DNA动起来!

于是,故事就开始了。

首先,他们通过DNA折纸术,构造了一条纳米机械臂和一个平台。纳米臂的长度只有25nm,底下的平台大点,边长55nm。随后,通过碱基对连接的方式,像用胶水一样,将机械臂的一端与平台粘合在一起。如果这套装置有你家墙上的挂钟那么大,那么真实的挂钟就会有河北省那么大。

左图为DNA纳米机械臂的模拟图,其中蓝白色部分为纳米机械臂,灰白色则是DNA组装而成的平台。右图是与之相对应的显微照片,在灰白色的方形平台上,颜色较浅处勾勒出了纳米机械臂的形状。图片来源:参考文献[3]

下一步,要考虑如何让纳米机械臂动起来。

这需要借助一条写在高中课本里的原理:在电场中,带电的物体会发生运动。研究者们把组装好纳米装置放在特殊的溶液中,使得DNA分子带上电荷。之后,再把整个系统放在电场里,并通过电脑远程控制电场的强弱和方向。接下来,因为DNA的一端早已被固定住了,只有远离固定点的一端才能运动,当外加的电场足够强时,整个DNA机械臂就会飞快地旋转起来。这样一来,这套装置就更像一个挂钟了,只不过尺寸要比常见的挂钟小上10万倍。

为了能够“看到”这个极小装置的旋转,研究人员使用了一种名为“荧光共振能量转移(FRET)”的技术,来追踪DNA分子的运动[3]。具体来说,就是在DNA折叠成的平台上植入一些特殊的小分子。这些小分子的作用如同探测器,当DNA经过它们时,就会产生相应的荧光信号。通过检测这些荧光信号,就可以明确DNA机械臂的位置,从而检测到它的动作。换句话说,我们可以看到DNA旋转起来的荧光“照片”

左图是旋转中的DNA机械臂的示意图。右图为实际检测到的荧光信号,其中的亮色的圆环是DNA机械臂扫过检测分子所产生的信号,表明了这个机械臂正在旋转;中心的亮斑是机械臂与底部平台的连接点所产生的信号。图片来源:参考文献[3]

那么,这种DNA机器臂能干什么呢? 干一个机械臂该干的事——移动东西

研究者们把原有的机械臂延长了16倍,做出了一条400nm长的机械臂。随后,他们将一颗长度为25nm的金颗粒,贴合到DNA机械臂可以自由移动的那一端。此时,只要开启外电场,DNA机械臂开始旋转,就可以带动顶端的纳米颗粒同时移动。这个操作看似简单,却有着重大的意义——如能推动金颗粒,那么下一步,是不是就能推动药物颗粒了?纳米机器人的重要应用场景之一,就是实现药物在分子级别的精准释放

图中上半部分是DNA机械臂(黄白色)推动一个纳米金颗粒(金色)的示意图,其中红色与绿色的点状物是检测分子,用于显示机械臂与金颗粒运动位置。图中下半部分是与之对应的显微照片,其中深色的颗粒是纳米金颗粒,浅颜色的线状结构是DNA机械臂。图片来源:参考文献[3] | 中文标注:圆的方块

既然DNA机械臂能为纳米颗粒提供动力,那么,也就意味着它可以成为其他纳米器件的动力源泉,在一个更大的系统中担当马达或者推进器的角色。为了达到这方面的目的,就要求DNA机械臂具有易于组装的特性。因此,研究人员做了进一步的尝试。他们将多个DNA平台拼合成一个长长的条状平台,并在这个长平台上同时安置若干个DNA机械臂。当外部的电场启动后,可以观察到所有的机械臂都运动了起来,相互之间没有干扰。

这项尝试的意义在于,证明了DNA机械臂可以作为一个模块,拼合进其他基于DNA的纳米结构中。一切体系都是由小及大,从简单演变为复杂。在DNA纳米机器人的研究上,这条机器臂的出现,算是迈出了重要的一步。

图A显示了一条由多个DNA平台以及DNA机械臂所组成的纳米系统,图B是与之对应的显微照片。图C是图B的局部放大图,可以看到在平台上“伸出了”两条机械臂。图D是对这个纳米系统外加电场后所检测到的荧光信号,在条带状的DNA平台上可以看到多个荧光圈,那些就是旋转着的DNA机械臂。图片来源:参考文献[3]

一直以来,纳米机器人都是人类最狂野的美梦之一。学者们在这方面不仅研究着深奥的理论,也做出了很多有趣的尝试。2017年,在法国举办的世界上首届“纳米车大赛”,参赛选手就是一批几十个分子组成的“赛车”。冠军是来自美国的“偶极赛车”,时速高达35纳米[4]。让这辆赛车全速飙起来,仅用500年,就可以跑过一枚硬币的距离。当然,这辆“赛车”造价不菲,是通过复杂的手段,将一个个原子拼接出来的。

如此看来,简单、廉价、柔韧的DNA无疑是一个强大的工具。而且,相对于冷冰冰的机器和电路,DNA似乎也能给我们带来更多的亲切感。

我们设计、制造、操控着一条条脱氧核醣核酸大分子,一步步靠近纳米机器人那个终极美梦。

但若仔细想来,我们自身,何尝不是DNA设计、制造、操控着的一套“机器”呢?

ps:当然,人类设计的DNA纳米机器人仍面临着诸多挑战。比如,做实验的时候千万不能打喷嚏,否则,几个月的心血就都没了。(编辑:明天)

参考文献:

  1. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature, 2006, 440(7082), 297-302.
  2. Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns. Nature, 2017, 552(7683), 67.
  3. A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields. Science,2017, 10.1126/science.aar6580
  4. http://www.sciencemag.org/news/2017/04/watch-world-s-smallest-cars-race-along-tracks-thinner-human-hair
The End

发布于2018-01-19, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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