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Science:重磅!开发出分拣货物分子的DNA纳米机器人

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摘要:图片来自年月日生物谷在一项新的研究中美国加州理工学院生物工程助理教授和同事们开发出一种由单链组成的纳米机器人这种纳米机器人能够自主地在一种分子表面上行走抓住某些分子并且将它们释放到指定的位置上相关研究结果发表在年月日的期刊上论文标题为
Science:重磅!开发出分拣货物分子的DNA纳米机器人
图片来自Demin Liu。
2017年9月16日/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,美国加州理工学院生物工程助理教授Lulu Qian和同事们开发出一种由单链DNA组成的纳米机器人,这种纳米机器人能够自主地在一种分子表面上“行走”,抓住某些分子,并且将它们释放到指定的位置上。相关研究结果发表在2017年9月15日的Science期刊上,论文标题为“A cargo-sorting DNA robot”。

何为纳米机器人?

Qian说,“正如机电传动机器人(electromechanical robot)被派送到遥远地方,如火星,我们想要派送纳米机器人到人类不能够去的微小空间,如血液。我们的目标是设计和构建能够执行复杂的纳米机械任务---货物分拣(cargo sorting)---的纳米机器人。”

如何构建一种分子机器人(即纳米机器人)

在论文第一作者Anupama Thubagere博士的领导下,这些研究人员构建出三种能够被用来组装DNA机器人的基础构件:“腿部(leg)”携带着两只“脚(feet)”用于行走;“手臂(arm)”和“手(hand)”用于抓住货物;体节(segment),能够识别特定的释放位点,并且给手发送信号释放它抓住的货物。每个构件仅由单链DNA中的几个核苷酸组成。

原则上,这些模块化的构件能够以许多种不同的方式进行组装以便完成不同的任务,比如具有几只手和手臂的DNA机器人能够被用来同时携带着多个分子。

在这项新的研究中,Qian团队构建出能够在一种纳米机器人,这种纳米机器人能够在一种分子表面上探索,抓起两个不同分子:一个黄色荧光染料分子和一个粉红色荧光染料分子,随后将它们分发到这个表面上的两个不同的区域。使用荧光染料分子能够让这些研究人员观察这些分子是否最终能够在它们的预定位置上出现。这种纳米机器人在24小时内成功地分拣6个分子:3个黄色荧光染料分子和3个粉红色荧光染料分子,到它们的正确位置上。加入更多的纳米机器人到这种表面上会缩短完成这项任务所需的时间。

Thubagere说,“尽管我们展示了一种完成这种特定任务的纳米机器人,但是这种相同的系统能够被概括为在这种表面的任意初始位置上分拣几十种货物。人们也能够让多种纳米机器人并行地完成多项分拣任务。”

利用DNA进行设计

设计DNA纳米机器人的关键在于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。单链DNA是由4种不同的核苷酸(A、G、C和T)组成的。这些核苷酸成对地结合在一起:A与T配对,G和C配对。当单链DNA遇到所谓的互补链(比如CGATT和AATCG)时,这两条DNA链压缩在一起,形成传统的双螺旋形状。

含有合适的核苷酸的单链DNA能够迫使两条部分压缩的DNA链彼此间解链。每次压缩和解链事件如何快地发生,以及针对每个给定的DNA序列,经估计,它能够消耗多少能量,将允许人们如何控制DNA纳米机器人如何快速地移动和它使用多少能量来完成任务。此外,单链DNA的或两条压缩的DNA链的长度也能够被计算出。因此,一种DNA纳米机器人的腿部和脚能够被设计为所需的步长:就这项研究而言是6纳米,即大约是人步长的一亿分之一。

利用这些理化性质,这些研究人员不仅能够设计纳米机器人,而且也能够设计“运动场(playground)”,比如分子木钉板(molecular pegboards),以便在其上面测试这些纳米机器人。在这项新的研究中,这种DNA纳米机器人在长58纳米宽58纳米的分子木钉板上移动,而且这种分子木钉板上的由单链DNA组成的木钉与这种纳米机器人的腿部和脚具有互补性。这种纳米机器人利用它的腿部和一只脚结合到这种分子木钉板的一个木钉上,而这种纳米机器人的另一只脚能够自由地浮动。当随机的分子波动导致这只自由浮动的脚遇到附近的一个木钉时,它拉着这种纳米机器人到这个新的木钉上,同时让这种纳米机器的另一只脚自由地浮动。当这种纳米机器人在每一步中随机地移动时,这个过程持续地进行。

这可能让一个纳米机器人花费一天的时间来探索整块分子木钉板。在此过程中,当这个纳米机器人遇到附着到木钉上的货物分子时,它利用它的“手”抓住这些货物分子,并且携带着它们直到它检测到释放位置的信号。这个过程较为缓慢,但是它允许设计一种非常简单的消耗非常少化学能的纳米机器人。

未来应用

Qian说,“我们并没有为任何特定的应用开发DNA纳米机器人。我们的实验室致力于发现能够开发具有一般用途的DNA纳米机器人的工程原理。然而,我希望其他的研究人员能够将这些原则用于激动人心的应用中,比如利用DNA纳米机器人在一种人工分子工厂中,以它的组分为原料,合成治疗性化学物,仅当一种特定的信号在血液或细胞中出现时才运送药物,或者分拣垃圾箱中的分子组分以便循环利用。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

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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