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