注册 登录

“麻雀虽小五脏俱全”的DNA机器人

  • 日期:2020-12-24 11:56
  • 作者:陈曦
  • 浏览数:103


目前在很多领域,智能机器人已经可以帮助人类完成高危、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进行了专题报告,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不仅能被折成各种结构,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”。



图片来源:视觉中国


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。



图片来源:视觉中国


“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


“DNA机器人在医疗领域,更多地会用来为某些肿瘤或癌症患者递送靶向药,或是制造纳米级设备元件,成为精准医疗的加速器。”齐浩进一步解释,之前都是把药物做成小分子,在人体内漫无目的地扩散到各个部位。后来出现了靶向药,就是在药物上增加识别病灶的分子靶点。而用DNA机器人可以制作智能升级版靶向药。


齐浩强调,DNA机器人本身并不治病,它只是一个载体,可以携带药物精准到达病灶或者病灶周边,进行操作精准给药,以增加现有药物的效力。


而且除了带货、识别、运输、卸载药物,DNA机器人还可以被装载上更多的“逻辑门”,以实现更多的功能和操控。齐浩举例说,研究人员曾制作过一个DNA机器人盒子,盒子里可携带治疗肿瘤的药物,通过设计识别功能,“盒子机器人”可准确找到肿瘤细胞,并且通过识别预先设计好的分子信号,打开盒子门。这个开门的操作就可以设计“和”或者“或”的逻辑门,满足两个条件打开门或者满足两个条件中的一个就开门。



图片来源:视觉中国


DNA机器人,能在纳米尺度完成这么多复杂的操作,让科研人员看到了它在医疗领域前景可期。有专家表示,这种微小的机器人甚至可以完成定位,操作一台小型手术。


不过与大多数新生事物相同,DNA机器人应用于医疗,还有很多关键的问题需要解决,其中最主要的就是生物安全性。


DNA是人类的遗传信息,使用DNA做成机器人进入人体细胞进行治疗,就相当于外源DNA进入人体,可能存在与人类DNA相互作用、整合到人类基因组的情况,对人类自身遗传信息的稳定性产生影响。


“目前的科研人员都还在DNA机器人的构建层面进行研究,它的功能还没那么强大。未来DNA机器人的技术一旦成熟并进入到应用层面,生物的稳定性和安全性等问题就会凸显出来。”齐浩表示。(科技日报记者陈曦)


科技日报

责任编辑:陶萨丽庆

上一篇: 石墨:材料界的“百变星君”
下一篇: 《自然》预测2021年最值得关注科学大事件!这几个都跟中国有关