来自 科技 2020-12-17 14:44 的文章

轩辕传奇声望坐标未来给你做手术的也许是DNA纳米机器人

  目前在很多领域,智能机器人已经可以帮人类完成高危、高难的工作。如今的机器人已不再只是“钢铁战士”,生命基本物质——DNA(脱氧核糖核酸)赋予纳米机器人“血肉之躯”。

  这种“麻雀虽小五脏俱全”的DNA机器人,能在纳米尺度上执行任务,因此它可以在人体细胞内发挥作用,这也让很多科研人员看到了其在医疗领域的广阔前景。在11月1日举行的第三届世界顶尖科学家论坛科学前沿话题讲堂上,中科院院士、上海交通大学化学化工学院教授樊春海围绕DNA制成的纳米级机器人做了专题报告,表达了其对DNA机器人治疗疾病的乐观设想。他认为,总有一天,基于DNA的机器、基于DNA的自组装机器、基于DNA的纳米机器人,可用来治疗人类疾病。

  框架核酸提升DNA机器人“智能”

  “DNA纳米机器人最核心的技术就是DNA折纸技术,在此基础之上,融合了一些可调控的机制,使得DNA不止能被折成各种结构,还具有了动态的机械功能,从而可以被称为‘机器人’。”天津大学化工学院教授、博士生导师齐浩介绍,虽然DNA纳米机器人不同于传统意义上的电子机器人,但之前能构建的生物分子都没有这些动态的功能,而DNA折纸技术帮助实现了分子的自组装,因此能赋予它一些动态调控的功能,使之更智能。

  “不同形式的DNA结构也被称为框架核酸。通过DNA折纸技术,将连成片的DNA当作‘纸’,经过设计和堆叠,构建出自己想要的模样,实现了人工设计自组装核酸结构。这种折出来的框架核酸,具有可编程的尺寸、形状和机械性能。有了这些DNA框架结构,科学家就可以在纳米范围内精确地组织小分子,使其成为架构纳米药物的有效平台。”齐浩介绍,通过DNA折纸技术,就可以搭建出机器人的“骨架”。

  和传统的DNA相比,DNA框架具有更稳定的结构,不容易被体内的外切酶降解,从而更加准确有效地进入细胞,向人体内递送靶向药物。

  框架核酸可以赋予机器人一些动态功能,而且这些功能是可控的。“DNA机器人可以实现很多功能,比如DNA行走、识别、结构开合等,这些技术都是通过DNA的序列设计技术来实现的。而序列设计是基于DNA链和链之间的识别来控制配对。”齐浩举例说,比如DNA机器人行走,就是根据核苷酸的碱基互补配对原则,A、T、C、G这4种碱基能够两两连接,形成双链。利用这个原理,设计特殊序列的DNA“桩”,这些DNA“桩”就像是DNA机器人前进路上用来踩踏的砖头。当机器人一只脚踏上正确的“桩”时腿部会快速进行碱基配对,另一只脚随机选择一块正确的“桩”,踏出下一步,踩着之前桩子的那只脚就变自由了。

  “其实很多高分子材料都能做出动态功能,比如温度、硬度变化,材料也能‘动’起来,实现智能化。但之所以DNA用来做机器人引起这么多关注,是因为DNA折纸可以在这么小的尺度折出更复杂的结构,使得DNA机器人的可控精度、灵敏度更高。”齐浩介绍,目前DNA序列设计技术发展很快,出现了很多软件,可以精准设计出DNA链和链之间相互识别、作用的序列。

  能与更多物质结合实现更复杂功能

  “最开始研究DNA折纸,主要是通过DNA折纸和组装,做出一个结构,从而来实现各种功能。现在越来越多的科研人员,让DNA与生物酶等其他分子结合在一起,以实现更复杂的功能。”齐浩举例说,就像去年,有科研人员在DNA折纸技术基础上,固定纳米金、生物酶,并且精准控制。相当于把DNA折纸做成分子生物芯片,而后固定各种生物元件,以实现更复杂的分子功能。

  “这种通过DNA折纸,折出高精准度的核酸框架,而后再把具有不同功能的生物分子精准固定在框架上,从而实现各种生物功能,是DNA机器人未来的主要发展趋势。”齐浩说,但这些生物分子固化之后,生物功能怎么去设计,怎么让它们相互之间协调工作,这都是后期需要解决的一些问题。

  目前,DNA机器人的效率也需要提高。 比如来自美国加州理工学院的钱璐璐教授研究出的一种可移动DNA机器人,它迈出一步需要5分钟,一步只能移动6纳米,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。

  “与低效率同时存在的是高成本,每一个DNA机器人的加工成本都很高,如果需要大批量使用成本会更高。”齐浩解释,这是因为,比如执行一个任务需要100个DNA机器人,目前做不到能精准控制每一个DNA机器人去执行命令,如果有几个机器人“开小差”,完成任务的效率就更低了,付出的成本就会相应增加。

  可成为智能升级版靶向药载体

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