谁动了我的DNA？原来是你拿去做机器人了

  

概要：慕尼黑工业大学的Friedrich C. Simmel团队使用DNA分子，组装出了一个可以远程控制的纳米机械臂，并用它成功推动了一个纳米金颗粒。

 

本周《Science》期刊的封面故事，介绍了一款德国制造的灵活DNA手臂。从而，人类在纳米机器人的道路上前进了一大步。

 

（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）

 

跳过故事的全文缩减版：

 

慕尼黑工业大学的Friedrich C. Simmel团队使用DNA分子，组装出了一个可以远程控制的纳米机械臂，并用它成功推动了一个纳米金颗粒。这项尝试证明了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，并且DNA分子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。

 

 

 

有故事的长文版

 

之前，加州理工大学钱璐璐课题组去年报道过具分捡功能的DNA机器人，紧接着英国曼彻斯特大学化学系教授David Leigh课题组也报道了可以搬运其他分子的DNA机器人，而本周《Science》上发表的德国的这款纳米机器人更确切地说是一个由DNA分子组装出的，可以远程控制的纳米机械臂。它完成了一个壮举——推动一个纳米金颗粒。

 

纳米科学家与DNA的邂逅

 

说到DNA分子，它是生物学家的美梦，这种由四种碱基拼凑的长链，藏着生命的大部分秘密。后来，纳米科学家们发现DNA具有独特的理化性质，而且这些理化性质是已知的和可编程的，于是他们开启了人类最狂野的美梦之一——纳米机器人。而那些发现后来也成了设计纳米机器人的关键。（忘记DNA知识点的快去翻高中生物书~）

 

DNA折纸术

 

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，DNA折纸术可以将DNA组装成各种不同的形状。2006年，一位名叫Rothemund的美国科学家就将一条具有7000个碱基对的DNA长链，弯曲、折叠出一个笑脸。

 

 

后来，人们还使用DNA折叠出了地图、星星、盒子，甚至一个蒙娜丽莎。

 

 

2017年，Nature曾连发4篇长文，系统报道DNA折纸术的系列进展。而德国这群来自慕尼黑的研究人员，觉得这些还不够——他们不只想拥有精巧的图案，还想让DNA动起来！于是，就有了今天的介绍的这个DNA纳米机械臂。

 

 

DNA折纸原理

 

DNA纳米机械臂的构建

 

首先，他们通过DNA折纸术，构造了一个55nm X 55nm的基底平台和一个长度为25nm的纳米手臂，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。

 

（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。）

 

下一步，科学家们就是要让这个机械臂动起来

 

DNA纳米机械臂的运动原理

 

高中课本里写过：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。

 

 

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。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。

 

(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。)

 

让这个DNA纳米机械臂移动东西

 

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。

 

电场控制DNA手臂运输分子和纳米颗粒

 

 

（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。）

 

既然DNA机械臂能为纳米颗粒提供动力，那么，也就意味着它可能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。在DNA纳米机器人的研究上，这条机器臂的出现，具有十分重要的意义。

 

 

（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。）

 

近年来，纳米机器人在生命医学领域发展迅速，包括药物运输、外科手术、医疗诊断、解毒等在内的应用正展现出这些微小机器人得天独厚的优势。机械学、生命医学、纳米科学等学科的合作和融合，促使了机器人在疾病预防、诊断和治疗应用上绽放出不一样的火花。

 

而相对于冷冰冰的机器和电路，DNA这个简单、柔韧又强大的“天然”工具似乎给我们带来了更多的亲切感。相信科学家们通过设计、制造、操控一条条脱氧核醣核酸大分子，会为我们演绎一个又一个神奇的故事！