Science封面:谁动了我的DNA?原来是你拿去做机器人了

来源:机器人大讲堂

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!


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