用DNA“折纸”设计机器人放进血管对付肿瘤

来源:羊城晚报    作者:JSI    人气:    发布时间:2019-01-14    

  用DNA“折纸”设计机器人放进血管对付肿瘤

  □谭璞

  提到机器人,大家脑海中浮现出的第一印象可能都是那些长得似人非人、有着钢筋铁骨的呆萌机器。与大家的直观感受有所不同的是,“机器人”这一概念的定义其实非常宽泛——凡是能自主执行任务、用来协助人类工作的人造装置,都能算做是机器人。所以广义上说,生产线上的装配机、食堂里切刀削面的奥特曼,乃至家里常见的滚筒洗衣机,都属于机器人范畴。

  而有一类特殊的新概念“机器人”,既没有钢铁身躯,也没有电子元件,这种让人感觉摸不着头脑的“机器人”,就是纳米机器人。

  人工制造是前提

  通俗来讲,所有能够在纳米(也包括几微米)尺度上完成任务的东西,都能算作纳米元件,其中当然也包括细胞内合成蛋白的核糖体、溶解细胞废物的溶酶体、在细胞间传输信号的外泌体,海联网,等等。

  但如果说他们是机器人,还差了一个至关重要的因素,那就是人工制造。与这些天然纳米原件相似,纳米机器人也是在纳米尺度上执行化学或生化任务,构成这些纳米机器人的,一般也不是电子元件,往往是一些有机分子(也有可能带有金属等无机部件)。驱动它们运行的,一般不是宏观机器人常用的电能,而是天然纳米原件中常见的生物化学反应。纳米机器人和天然纳米元件的主要区别,就是纳米机器人执行的不是老天爷在几百几千万年前制定的任务,而是设计他们的科学家开的“脑洞”。

  “折纸”的二维结构

  近日,上海交通大学和中科院上海应用物理研究所的科学家们开发出了一种很有趣的纳米“领航员”机器人(相关研究报告发表在《自然·材料》上)。

  他们先使用DNA“折纸”(dna origami)技术制作了一种纳米尺度的方形二维结构;然后在上面的特定路线留下发夹状的DNA分子路标;再加入能“激活”这些路线的启动分子(只需要一个)和用于促使反应持续的“燃料”分子,单分子链式反应就能沿着设计者留下的分子路标向前推进。

  这个纳米领航员机器人的工作方式很像大家常见的多米诺骨牌。大家可以想象一下,二维的DNA折纸就像一块地板,在地板上,有一排用DNA分子做成的多米诺骨牌,在没有启动分子的情况下,这些骨牌都是稳定地立着的,但当你向骨牌的一端扔下一个启动分子的时候,这些骨牌就会依次朝着另一端倒下,从而使倒下的骨牌形成一条明显的通向另一端的路径。

  但与能同时触发多条分叉路径的多米诺骨牌不同,在这个纳米领航员的骨牌游戏里,如果留下的DNA路标被做成了有多条分叉的迷宫,单分子“领航员”就只会随机沿着其中的一条路径向前延伸(也有可能走到死路)。不过,这样的一张纳米折纸比大家用来玩骨牌的地板要小得多。简而言之,在这个纳米骨牌系统里,每一片DAN纳米折纸和它上面的分子领航员,催款律师函,都可以被看成一个计算单元。由于一片折纸只有纳米尺寸,可以在微米尺度的面积内放下许多个计算单元,便拥有可观的计算能力。这种特性可以被用来用枚举法“暴力破解”纳米迷宫,也有希望被用来制造纳米级别的分子传感结构。从这种意义上说,这个系统被称为纳米“机器人”,或者分子计算机,也算当之无愧了。

  无需电能驱动

  基于有机分子的“纳米机器人”,远不止有“暴力破解纳米迷宫”这一种听起来不太贴近生活的功能。

  前一段时间,美国亚利桑那州立大学和中国纳米科学中心的科研人员,开发出了一种同样是基于DNA折纸技术,且可以精确打击实体肿瘤的“纳米机器人”,该文章发表在今年2月的《自然·生物技术》上。简而言之,这个纳米机器人在被注射入体内之后,可以利用外表携带的肿瘤特异性配体(aptamer),识别肿瘤富集的局部环境,并在找到这种特殊的靶点环境之后由筒状展开成片状,露出内部携带的能杀伤实体肿瘤的药物(在他们的设计中是凝血酶)。其工作机理非常类似于现代战争中常用的能寻找攻击目标并在到达目标后才起爆的精确制导巡航导弹。

  除了这两种纳米机器人之外,还有很多种用于“精确给药”等功能的纳米机器人。但值得注意的是,包括本文详细介绍的两种技术在内的几乎所有纳米机器人,都不需要电能驱动。它们的工作过程,高度依赖于它们自己的特殊物理性质和高度特异的化学反应。这就导致了它们的设计和制造过程不仅非常复杂,而且成本高昂。

  如何让这些高端大气上档次的新概念纳米机器人,逐步走入寻常百姓的生活,将会是很多科学家在未来一段时间内努力的目标。

  (转载自科学大院 公众号ID:kexuedayuan)

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【编辑:姜贞宇】

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