首次！華裔女科學家的DNA機器人成功識別並運輸分子，癌症靶向葯的「搬運工」來了？

科技時代，機械正在取代人類進行常規工作，甚至是人類也無法完成的高難、高危工作，因為其的智能性，我們常對其機械冠以「人」稱，但這些鋼鐵戰士始終不具有「血肉之軀」。

而今，科學家們做出重大突破，用生命的基本物質——核苷酸製造出DNA機器人，該機器人不僅可以對不同熒光分子進行識別、分揀，並可以將目標分子轉運到特殊地點「卸貨」，當多機器人協同工作時，準確率更是接近100%。相關研究細節發表在 9 月 15 日的《科學》雜誌上。

圖丨錢璐璐

「稱他們為DNA機器人是因為他們可以在納米級度量下完成機械任務，」 來自加州理工學院（California Institute of Technology）的錢璐璐教授，同時也是該項目的負責人，給出了如此中肯的評價。

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圖丨DNA機器人正在運輸貨物

事實上，如果未來應用得當，這種納米機器人很可能用於某些腫瘤或癌症的靶向葯傳遞中，或是製造納米級設備元件，成為精準醫療的加速器。

圖丨此次發表在《Science》上的論文

6納米的一小步，人類科研的一大步

顧名思義，DNA機器人是由53個核苷酸（DNA的基本組成單元）構成的單鏈結構，高約20納米。麻雀雖小五臟俱全，小小的DNA機器人兼具身體的各個關鍵部分：一手、一臂、一腿，與人類雙腳交替前進原理類似，機器人同樣有兩隻腳，分別位於腿的兩端。

圖丨DNA機器人可以在特殊設計的納米結構上「行走」

由於DNA機器人的純DNA「定製」特性，機器人被安排在一個特殊的場地上進行測試——一個58納米見方的DNA測試平台。這個平台上布滿特殊序列的DNA「樁」，這些DNA樁就像是DNA機器人前進路上可以用來踩踏的磚頭。

根據核苷酸的鹼基互補配對原則，A（adenine，腺嘌呤），T（thymine，胸腺嘧啶），C（cytosine，胞嘧啶），G（guanine，鳥嘌呤）能夠兩兩連接，形成雙鏈，這也是DNA機器人可以行走的基礎。

那麼，DNA機器人究竟是如何行走的呢？

也許你想像中機器人行走的畫面可能是這樣的：

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也可能是這樣的：

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但事實上，作為只有單鏈結構的DNA機器人，它的行走模式更像是一根晃動的彈簧，或是一隻蠕動的毛蟲：

DNA機器人的兩隻腳分別在唯一的一條腿的兩端。當機器人一隻腳踏上正確的「方磚」時（另一隻腳仍可自由活動），腿部會快速進行鹼基配對，另一隻腳隨機選擇下一塊正確的「方磚」，踏出下一步，踩著之前的樁子那隻腳就變自由了；

而當機器人遇到拴在樁子上的貨物分子時，就會用「手」抓住貨物（分子貨物連接在和手的鹼基互補的單鏈上），然後繼續行走，直到遇到放下貨物的信號。

儘管DNA機器人踏出邁出一步需要５分鐘，一步只能移動6納米——大約只有人類步伐的以一億分之一，但這卻是人類科研道路上不可估量的一大步。

另外，通過設計DNA的序列，研究人員們能夠控制每個雙鏈和單鏈分開和組合的速度以及消耗的能量。

「這個過程雖然很慢，但是一個消耗很少能量的簡單機器人就能完成這個看似複雜的任務」，錢璐璐說。

識別、運輸，樣樣在行

光行走當然還稱不上是機器人，識別並運輸才是DNA機器人的拿手絕活。研究者將不同熒光「貨物」隨機分布在納米級試煉場中，隨後放入單個或多個DNA機器人進行測試。

「單個機器人用了接近一天的時間才將6個不同的『貨物』運送到指定位置，多個機器人不僅不會互相干擾，甚至幾個小時就完成了運送，準確率更是接近100%。」對此錢教授十分滿意。而如果是3到5個機器人，那麼這個過程可以在一個小時左右完成。

錢璐璐表示，這種技術將來有望用來在人造分子工廠中組裝化學藥物、把藥物運輸到血液中或者細胞中的指定地點，甚至也許能將無用的垃圾分子成分分類回收。

圖丨兩個DNA機器人同時工作的概念圖

「一天的時間」才完成識別、分揀、搬運，這聽起來並不是一個讓人振奮的結果，甚至很多人會對如此「雞肋」的研究成就嗤之以鼻，但是科研界的比拼從來都不是短跑的競技場，就像19世紀蒸汽火車面世之初，不乏有人策馬嘲諷，而今只有望塵莫及。

事實上，這並不是科學家在DNA機器人方面的首次嘗試，近20年來，科學家們在DNA納米科學方面做出了不懈的努力，單就DNA組裝來說，目前DNA摺紙技術可以高效完成複雜的DNA納米結構設計。

從可以在納米結構中來回自主晃動的DNA「步行者」，到可以裝載和卸載分子貨物的「搬運工」，一直到目前可以完成識別、分揀、搬運的機器人，科研的每一點進步都至關重要且不可小覷。

DNA機器人未來的路

這個由單鏈 DNA製成的分子機器人，可在納米尺度上執行任務，這也是分子機器人領域的重大突破。

來自澳大利亞莫納什大學（Monash University）的納米仿生研究學者Wenlong Cheng儘管並未參與，仍舊對此項研究表現的十分興奮，「該技術的應用前景十分廣闊，首先受益的將是靶向藥物的傳遞，」他解釋道，「如果患者患有腫瘤，這種微小的機器人甚至可以完成定位，操作一台小型『手術』」。

與大多數新生事物相同，DNA機器人的測試目前還並不完善，甚至可能存在與人類DNA相互作用、整合到人類基因組的情況，因此DNA機器人在短時間內並不可能進行人體試驗。

對於DNA機器人的未來，發明者錢璐璐表現的十分冷靜客觀。「儘管DNA機器人前途看好，但我的團隊更關注的是DNA機器人的基礎建設—即構建這些分子機器人的工程原理，剩下的目前只能說是科學設想。」

「這項研究最卓越的貢獻是，他們可以使多個簡單的DNA設備同時完成非平凡的任務。這意味著很快這項技術將會被應用在化學合成和納米醫療中，這值得期待。」來自杜克大學（Duke University）的John H. Reif教授在《科學》雜誌的專文點評中以此為結語。

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