Science封面：我這里有一條的DNA，送給你去做機器人吧

除了遺傳，DNA還能干什么？

這里有一個備選答案：組裝成機器人。

本周《科學(xué)》（Science）雜志的封面故事，講的就是來自德國的科學(xué)家們，使用DNA分子，成功組裝出一個可以遠(yuǎn)程控制的納米機械臂，并用它完成了一項壯舉——推動一個納米金顆粒。

在DNA組裝而成的條帶狀平臺（灰白色）上，安置了多個同樣為DNA構(gòu)成的納米機械臂（藍(lán)紫色），亮黃色的部分可以檢測機械臂的運動位置。通過施加電場，可以地控制納米機械臂旋轉(zhuǎn)。這套裝置可以進一步發(fā)展成為納米機器人的一部分。圖片來源：Science | 制圖： C. Bickel/Science | 數(shù)據(jù)支持: E. Kopperger，F(xiàn). C. Simmel/Technical University of Munich  

起初，DNA是生物學(xué)家的美夢。這條由四種堿基拼湊的長鏈，藏著生命的大部分秘密。后來，這種奇特的大分子，又引起了納米科學(xué)家們的興趣。

原因有二：

1. DNA分子是柔韌又強健的堿基結(jié)合，能確保長長的DNA鏈扭曲彎折而不斷裂；

2. 只要設(shè)計合理，可以通過堿基對把兩條DNA地連接起來，就如同拼樂高積木一樣，可以把許多DNA分子片段拼成想要的圖案。

為了更好地操控組裝DNA分子片段，一種名為“DNA折紙術(shù)（DNA origami）”的技術(shù)應(yīng)運而生。2006年，一位名叫Rothemund的美國科學(xué)家就用一條具有7000個堿基對的DNA長鏈，彎曲、折疊出一個笑臉[1]。

使用DNA折紙術(shù)，將DNA分子折疊成笑臉的形狀，圖片來源：參考文獻[1]

于是，DNA就開啟了它的畫家之路。人們使用DNA能夠折疊出來的形狀也越來越復(fù)雜：地圖、星星、盒子，甚至還能拼出一個蒙娜麗莎[2]！這也間接地證明了一句話：“每個科學(xué)家，不過是長大了的孩子”。

DNA分子折疊成的形狀愈發(fā)復(fù)雜，圖片來源：參考文獻[2]

但是，德國一群來自慕尼黑的研究人員，覺得這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠——他們不只想擁有精巧的圖案，還想讓DNA動起來！

于是，故事就開始了。

首先，他們通過DNA折紙術(shù)，構(gòu)造了一條納米機械臂和一個平臺。納米臂的長度只有25nm，底下的平臺大點，邊長55nm。隨后，通過堿基對連接的方式，像用膠水一樣，將機械臂的一端與平臺粘合在一起。如果這套裝置有你家墻上的掛鐘那么大，那么真實的掛鐘就會有河北省那么大。

左圖為DNA納米機械臂的模擬圖，其中藍(lán)白色部分為納米機械臂，灰白色則是DNA組裝而成的平臺。右圖是與之相對應(yīng)的顯微照片，在灰白色的方形平臺上，顏色較淺處勾勒出了納米機械臂的形狀。圖片來源：參考文獻[3]

下一步，要考慮如何讓納米機械臂動起來。

這需要借助一條寫在高中課本里的原理：在電場中，帶電的物體會發(fā)生運動。研究者們把組裝好納米裝置放在特殊的溶液中，使得DNA分子帶上電荷。之后，再把整個系統(tǒng)放在電場里，并通過電腦遠(yuǎn)程控制電場的強弱和方向。接下來，因為DNA的一端早已被固定住了，只有遠(yuǎn)離固定點的一端才能運動，當(dāng)外加的電場足夠強時，整個DNA機械臂就會飛快地旋轉(zhuǎn)起來。這樣一來，這套裝置就更像一個掛鐘了，只不過尺寸要比常見的掛鐘小上10萬倍。

為了能夠“看到”這個極小裝置的旋轉(zhuǎn)，研究人員使用了一種名為“熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）”的技術(shù)，來追蹤DNA分子的運動[3]。具體來說，就是在DNA折疊成的平臺上植入一些特殊的小分子。這些小分子的作用如同探測器，當(dāng)DNA經(jīng)過它們時，就會產(chǎn)生相應(yīng)的熒光信號。通過檢測這些熒光信號，就可以明確DNA機械臂的位置，從而檢測到它的動作。換句話說，我們可以看到DNA旋轉(zhuǎn)起來的熒光“照片”了。

左圖是旋轉(zhuǎn)中的DNA機械臂的示意圖。右圖為實際檢測到的熒光信號，其中的亮色的圓環(huán)是DNA機械臂掃過檢測分子所產(chǎn)生的信號，表明了這個機械臂正在旋轉(zhuǎn)；中心的亮斑是機械臂與底部平臺的連接點所產(chǎn)生的信號。圖片來源：參考文獻[3]

那么，這種DNA機器臂能干什么呢？ 干一個機械臂該干的事——移動?xùn)|西。

研究者們把原有的機械臂延長了16倍，做出了一條400nm長的機械臂。隨后，他們將一顆長度為25nm的金顆粒，貼合到DNA機械臂可以自由移動的那一端。此時，只要開啟外電場，DNA機械臂開始旋轉(zhuǎn)，就可以帶動頂端的納米顆粒同時移動。這個操作看似簡單，卻有著重大的意義——如能推動金顆粒，那么下一步，是不是就能推動藥物顆粒了？納米機器人的重要應(yīng)用場景之一，就是實現(xiàn)藥物在分子級別的釋放。

圖中上半部分是DNA機械臂（黃白色）推動一個納米金顆粒（金色）的示意圖，其中紅色與綠色的點狀物是檢測分子，用于顯示機械臂與金顆粒運動位置。圖中下半部分是與之對應(yīng)的顯微照片，其中深色的顆粒是納米金顆粒，淺顏色的線狀結(jié)構(gòu)是DNA機械臂。圖片來源：參考文獻[3] | 中文標(biāo)注：圓的方塊

既然DNA機械臂能為納米顆粒提供動力，那么，也就意味著它可以成為其他納米器件的動力源泉，在一個更大的系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)馬達(dá)或者推進器的角色。為了達(dá)到這方面的目的，就要求DNA機械臂具有易于組裝的特性。因此，研究人員做了進一步的嘗試。他們將多個DNA平臺拼合成一個長長的條狀平臺，并在這個長平臺上同時安置若干個DNA機械臂。當(dāng)外部的電場啟動后，可以觀察到所有的機械臂都運動了起來，相互之間沒有干擾。

這項嘗試的意義在于，證明了DNA機械臂可以作為一個模塊，拼合進其他基于DNA的納米結(jié)構(gòu)中。一切體系都是由小及大，從簡單演變?yōu)閺?fù)雜。在DNA納米機器人的研究上，這條機器臂的出現(xiàn)，算是邁出了重要的一步。

圖A顯示了一條由多個DNA平臺以及DNA機械臂所組成的納米系統(tǒng)，圖B是與之對應(yīng)的顯微照片。圖C是圖B的局部放大圖，可以看到在平臺上“伸出了”兩條機械臂。圖D是對這個納米系統(tǒng)外加電場后所檢測到的熒光信號，在條帶狀的DNA平臺上可以看到多個熒光圈，那些就是旋轉(zhuǎn)著的DNA機械臂。圖片來源：參考文獻[3]

一直以來，納米機器人都是人類zui狂野的美夢之一。學(xué)者們在這方面不僅研究著深奧的理論，也做出了很多有趣的嘗試。2017年，在法國舉辦的世界上首屆“納米車大賽”，參賽選手就是一批幾十個分子組成的“賽車”。*是來自美國的“偶極賽車”，時速高達(dá)35納米[4]。讓這輛賽車全速飆起來，僅用500年，就可以跑過一枚硬幣的距離。當(dāng)然，這輛“賽車”造價不菲，是通過復(fù)雜的手段，將一個個原子拼接出來的。

如此看來，簡單、廉價、柔韌的DNA無疑是一個強大的工具。而且，相對于冷冰冰的機器和電路，DNA似乎也能給我們帶來更多的親切感。

我們設(shè)計、制造、操控著一條條脫氧核醣核酸大分子，一步步靠近納米機器人那個*美夢。

但若仔細(xì)想來，我們自身，何嘗不是DNA設(shè)計、制造、操控著的一套“機器”呢？

ps：當(dāng)然，人類設(shè)計的DNA納米機器人仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。比如，做實驗的時候千萬不能打噴嚏，否則，幾個月的心血就都沒了。（編輯：明天）

參考文獻：

1. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature, 2006, 440(7082), 297-302.

2. Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns. Nature, 2017, 552(7683), 67.

3. A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields. Science,2017, 10.1126/science.aar6580

4. http://www.sciencemag。。ｏｒｇ/news/2017/04/watch-world-s-smallest-cars-race-along-tracks-thinner-human-hair

作者：圓的方塊

來源：果殼