首次!华裔女科学家的DNA机器人成功识别并运输分子,癌症靶向药

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发布时间:2017-10-12 23:23
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摘要::原标题:首次!华裔女科学家的DNA机器人成功识别并运输分子,癌症靶向药的“搬运工”来了? 科技时代,机械正在取代人类进行常规工作,甚至是人类也无法完成的高难、高危工作,因为其的智能性, 我们常对其机械冠以“人”称,但这些钢铁战士始终不具有“血肉

原标题:首次!华裔女科学家的DNA机器人成功识别并运输分子,癌症靶向药的“搬运工”来了?

科技时代,机械正在取代人类进行常规工作,甚至是人类也无法完成的高难、高危工作,因为其的智能性,我们常对其机械冠以“人”称,但这些钢铁战士始终不具有“血肉之躯”。

而今,科学家们做出重大突破,用生命的基本物质——核苷酸制造出DNA机器人,该机器人不仅可以对不同荧光分子进行识别、分拣,并可以将目标分子转运到特殊地点“卸货”,当多机器人协同工作时,准确率更是接近100%。相关研究细节发表在 9 月 15 日的《科学》杂志上。

图丨钱璐璐

“称他们为DNA机器人是因为他们可以在纳米级度量下完成机械任务,” 来自加州理工学院(California Institute of Technology)的钱璐璐教授,同时也是该项目的负责人,给出了如此中肯的评价。

图丨DNA机器人正在运输货物

事实上,如果未来应用得当,这种纳米机器人很可能用于某些肿瘤或癌症的靶向药传递中,或是制造纳米级设备元件,成为精准医疗的加速器。

图丨此次发表在《Science》上的论文

6纳米的一小步,人类科研的一大步

顾名思义,DNA机器人是由53个核苷酸(DNA的基本组成单元)构成的单链结构,高约20纳米。麻雀虽小五脏俱全,小小的DNA机器人兼具身体的各个关键部分:一手、一臂、一腿,与人类双脚交替前进原理类似,机器人同样有两只脚,分别位于腿的两端。

图丨DNA机器人可以在特殊设计的纳米结构上“行走”

由于DNA机器人的纯DNA“定制”特性,机器人被安排在一个特殊的场地上进行测试——一个58纳米见方的DNA测试平台。这个平台上布满特殊序列的DNA“桩”,这些DNA桩就像是DNA机器人前进路上可以用来踩踏的砖头。

根据核苷酸的碱基互补配对原则,A(adenine,腺嘌呤),T(thymine,胸腺嘧啶),C(cytosine,胞嘧啶),G(guanine,鸟嘌呤)能够两两连接,形成双链,这也是DNA机器人可以行走的基础

那么,DNA机器人究竟是如何行走的呢?

也许你想象中机器人行走的画面可能是这样的:

也可能是这样的:

但事实上,作为只有单链结构的DNA机器人,它的行走模式更像是一根晃动的弹簧,或是一只蠕动的毛虫

DNA机器人的两只脚分别在唯一的一条腿的两端。当机器人一只脚踏上正确的“方砖”时(另一只脚仍可自由活动),腿部会快速进行碱基配对,另一只脚随机选择下一块正确的“方砖”,踏出下一步,踩着之前的桩子那只脚就变自由了;

而当机器人遇到拴在桩子上的货物分子时,就会用“手”抓住货物(分子货物连接在和手的碱基互补的单链上),然后继续行走,直到遇到放下货物的信号。

尽管DNA机器人踏出迈出一步需要5分钟,一步只能移动6纳米——大约只有人类步伐的以一亿分之一,但这却是人类科研道路上不可估量的一大步

另外,通过设计DNA的序列,研究人员们能够控制每个双链和单链分开和组合的速度以及消耗的能量。

“这个过程虽然很慢,但是一个消耗很少能量的简单机器人就能完成这个看似复杂的任务”,钱璐璐说。

识别、运输,样样在行

光行走当然还称不上是机器人,识别并运输才是DNA机器人的拿手绝活。研究者将不同荧光“货物”随机分布在纳米级试炼场中,随后放入单个或多个DNA机器人进行测试。

单个机器人用了接近一天的时间才将6个不同的‘货物’运送到指定位置,多个机器人不仅不会互相干扰,甚至几个小时就完成了运送,准确率更是接近100%。”对此钱教授十分满意。而如果是3到5个机器人,那么这个过程可以在一个小时左右完成。

钱璐璐表示,这种技术将来有望用来在人造分子工厂中组装化学药物、把药物运输到血液中或者细胞中的指定地点,甚至也许能将无用的垃圾分子成分分类回收。

图丨两个DNA机器人同时工作的概念图

“一天的时间”才完成识别、分拣、搬运,这听起来并不是一个让人振奋的结果,甚至很多人会对如此“鸡肋”的研究成就嗤之以鼻,但是科研界的比拼从来都不是短跑的竞技场,就像19世纪蒸汽火车面世之初,不乏有人策马嘲讽,而今只有望尘莫及。

事实上,这并不是科学家在DNA机器人方面的首次尝试,近20年来,科学家们在DNA纳米科学方面做出了不懈的努力,单就DNA组装来说,目前DNA折纸技术可以高效完成复杂的DNA纳米结构设计。

从可以在纳米结构中来回自主晃动的DNA“步行者”,到可以装载和卸载分子货物的“搬运工”,一直到目前可以完成识别、分拣、搬运的机器人,科研的每一点进步都至关重要且不可小觑。

DNA机器人未来的路

这个由单链 DNA制成的分子机器人,可在纳米尺度上执行任务,这也是分子机器人领域的重大突破。

来自澳大利亚莫纳什大学(Monash University)的纳米仿生研究学者Wenlong Cheng尽管并未参与,仍旧对此项研究表现的十分兴奋,“该技术的应用前景十分广阔,首先受益的将是靶向药物的传递,”他解释道,“如果患者患有肿瘤,这种微小的机器人甚至可以完成定位,操作一台小型‘手术’”。

与大多数新生事物相同,DNA机器人的测试目前还并不完善,甚至可能存在与人类DNA相互作用、整合到人类基因组的情况,因此DNA机器人在短时间内并不可能进行人体试验。

对于DNA机器人的未来,发明者钱璐璐表现的十分冷静客观。“尽管DNA机器人前途看好,但我的团队更关注的是DNA机器人的基础建设—即构建这些分子机器人的工程原理,剩下的目前只能说是科学设想。”

“这项研究最卓越的贡献是,他们可以使多个简单的DNA设备同时完成非平凡的任务。这意味着很快这项技术将会被应用在化学合成和纳米医疗中,这值得期待。”来自杜克大学(Duke University)的John H. Reif教授在《科学》杂志的专文点评中以此为结语。

-End-

校审:黄珊

参考:

http://science.sciencemag.org/content/357/6356/1095

http://science.sciencemag.org/content/357/6356/eaan6558

http://www.abc.net.au/news/science/2017-09-15/dna-robots-that-walk-and-sort/8903138返回搜狐,查看更多

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