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Science:重磅!開發出分揀貨物分子的DNA納米機器人

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摘要:圖片來自年月日生物谷在一項新的研究中美國加州理工學院生物工程助理教授和同事們開發出一種由單鏈組成的納米機器人這種納米機器人能夠自主地在一種分子表面上行走抓住某些分子并且將它們釋放到指定的位置上相關研究結果發表在年月日的期刊上論文標題為
Science:重磅!開發出分揀貨物分子的DNA納米機器人
圖片來自Demin Liu。
2017年9月16日/生物谷BIOON/---在一項新的研究中,美國加州理工學院生物工程助理教授Lulu Qian和同事們開發出一種由單鏈DNA組成的納米機器人,這種納米機器人能夠自主地在一種分子表面上“行走”,抓住某些分子,并且將它們釋放到指定的位置上。相關研究結果發表在2017年9月15日的Science期刊上,論文標題為“A cargo-sorting DNA robot”。

何為納米機器人?

Qian說,“正如機電傳動機器人(electromechanical robot)被派送到遙遠地方,如火星,我們想要派送納米機器人到人類不能夠去的微小空間,如血液。我們的目標是設計和構建能夠執行復雜的納米機械任務---貨物分揀(cargo sorting)---的納米機器人。”

如何構建一種分子機器人(即納米機器人)

在論文第一作者Anupama Thubagere博士的領導下,這些研究人員構建出三種能夠被用來組裝DNA機器人的基礎構件:“腿部(leg)”攜帶著兩只“腳(feet)”用于行走;“手臂(arm)”和“手(hand)”用于抓住貨物;體節(segment),能夠識別特定的釋放位點,并且給手發送信號釋放它抓住的貨物。每個構件僅由單鏈DNA中的幾個核苷酸組成。

原則上,這些模塊化的構件能夠以許多種不同的方式進行組裝以便完成不同的任務,比如具有幾只手和手臂的DNA機器人能夠被用來同時攜帶著多個分子。

在這項新的研究中,Qian團隊構建出能夠在一種納米機器人,這種納米機器人能夠在一種分子表面上探索,抓起兩個不同分子:一個黃色熒光染料分子和一個粉紅色熒光染料分子,隨后將它們分發到這個表面上的兩個不同的區域。使用熒光染料分子能夠讓這些研究人員觀察這些分子是否最終能夠在它們的預定位置上出現。這種納米機器人在24小時內成功地分揀6個分子:3個黃色熒光染料分子和3個粉紅色熒光染料分子,到它們的正確位置上。加入更多的納米機器人到這種表面上會縮短完成這項任務所需的時間。

Thubagere說,“盡管我們展示了一種完成這種特定任務的納米機器人,但是這種相同的系統能夠被概括為在這種表面的任意初始位置上分揀幾十種貨物。人們也能夠讓多種納米機器人并行地完成多項分揀任務。”

利用DNA進行設計

設計DNA納米機器人的關鍵在于DNA具有獨特的理化性質,而且這些理化性質是已知的和可編程的。單鏈DNA是由4種不同的核苷酸(A、G、C和T)組成的。這些核苷酸成對地結合在一起:A與T配對,G和C配對。當單鏈DNA遇到所謂的互補鏈(比如CGATT和AATCG)時,這兩條DNA鏈壓縮在一起,形成傳統的雙螺旋形狀。

含有合適的核苷酸的單鏈DNA能夠迫使兩條部分壓縮的DNA鏈彼此間解鏈。每次壓縮和解鏈事件如何快地發生,以及針對每個給定的DNA序列,經估計,它能夠消耗多少能量,將允許人們如何控制DNA納米機器人如何快速地移動和它使用多少能量來完成任務。此外,單鏈DNA的或兩條壓縮的DNA鏈的長度也能夠被計算出。因此,一種DNA納米機器人的腿部和腳能夠被設計為所需的步長:就這項研究而言是6納米,即大約是人步長的一億分之一。

利用這些理化性質,這些研究人員不僅能夠設計納米機器人,而且也能夠設計“運動場(playground)”,比如分子木釘板(molecular pegboards),以便在其上面測試這些納米機器人。在這項新的研究中,這種DNA納米機器人在長58納米寬58納米的分子木釘板上移動,而且這種分子木釘板上的由單鏈DNA組成的木釘與這種納米機器人的腿部和腳具有互補性。這種納米機器人利用它的腿部和一只腳結合到這種分子木釘板的一個木釘上,而這種納米機器人的另一只腳能夠自由地浮動。當隨機的分子波動導致這只自由浮動的腳遇到附近的一個木釘時,它拉著這種納米機器人到這個新的木釘上,同時讓這種納米機器的另一只腳自由地浮動。當這種納米機器人在每一步中隨機地移動時,這個過程持續地進行。

這可能讓一個納米機器人花費一天的時間來探索整塊分子木釘板。在此過程中,當這個納米機器人遇到附著到木釘上的貨物分子時,它利用它的“手”抓住這些貨物分子,并且攜帶著它們直到它檢測到釋放位置的信號。這個過程較為緩慢,但是它允許設計一種非常簡單的消耗非常少化學能的納米機器人。

未來應用

Qian說,“我們并沒有為任何特定的應用開發DNA納米機器人。我們的實驗室致力于發現能夠開發具有一般用途的DNA納米機器人的工程原理。然而,我希望其他的研究人員能夠將這些原則用于激動人心的應用中,比如利用DNA納米機器人在一種人工分子工廠中,以它的組分為原料,合成治療性化學物,僅當一種特定的信號在血液或細胞中出現時才運送藥物,或者分揀垃圾箱中的分子組分以便循環利用。”(生物谷 Bioon.com)

參考資料:

Anupama J. Thubagere, Wei Li, Robert F. Johnson et al. A cargo-sorting DNA robot. Science, 15 Sep 2017, 357(6356):eaan6558, doi:10.1126/science.aan6558

John H. Reif. DNA robots sort as they walk. Science, 15 Sep 2017, 357(6356):1095-1096, doi:10.1126/science.aao5125

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