世界上最小的連城井字遊戲

大約一年前，加州理工學院的生物工程助理教授Lulu Qian開發出了一種被稱為DNA摺紙的技術來拼接微小的正方形覆片——這種類似迷你瓷磚的材料可以自動組裝成更大的納米結構(迷你瓷磚類似於基本像素，納米機器相當於像素組成的圖案，DNA指導像素自行組成圖案，就像動物身上自動生出的胎記)。在演示中，他們藉助DNA特性製作出了史上最小版的《蒙娜麗莎》。

這一技術令人印象深刻，但該技術的局限性恰與油畫本身相似：圖像一旦被創建，就難以改變。

現在，加州理工學院的團隊實現了技術上的又一次飛躍。他們創造出了更具動態性的覆片自組拼接技術——也就是說，研究人員能夠重塑已經成型了的DNA結構。作為示範，他們製作了一款分子尺度的井字遊戲，玩家在棋盤上添加特殊的DNA貼片來代表X或O。

通過DNA片段驅動納米覆片自動行棋的連城遊戲 Credit: Caltech

連城或井字遊戲，作為最簡單的棋類，很久以前我們就可以單純藉助電路設計或演算法，在機械和電子設備上實現人機對弈(就是人類玩家走出一步，機器自動響應也走一步，而且走法正確)，比較出名的裝置包括信息學之父香農製造出的連城機器人。

這裡的不同之處在於，科學家藉助DNA的特性，利用純生物化學機制來實現「對手」自動行棋。同時，因為只涉及純粹的生物學過程，所以納米機器人每走一步都需要數天的時間。

每條DNA鏈由骨架和四種稱為鹼基的分子組成。這些鹼基——腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶，縮寫為A、T、C和G——可以按任何順序排列，不同順序的組合意味著不同的氨基酸分子，或者在當前語境下是納米機器。

DNA的第二個特性是A，T，C和G鹼基具有與其對應物配對的自然趨勢。A鹼基與T配對，C與G配對。大量鹼基組成的DNA鏈條亦是如此，例如，ATTAGCA與TAATCGT配對。

然而，鹼基序列也可以與部分匹配的序列配對。如果將ATTAGCA和TAATACC放在一起，它們的ATTA和TAAT部分像咬合在一起的齒輪，而不匹配的部分就像是沒有卡在一起的拉鏈。兩條DNA鏈彼此越是互補，結合的趨勢就越強烈。

之前的納米機器自組織工藝，就是將DNA鏈條附著在納米構件上，互補的DNA鏈條結合到一起的同時，兩塊構件也自然地拼接到一起。

最新開發的動態工藝手段，則利用了不完全匹配的DNA鏈條，每當需要修改既成的結構時，就向結構里添加新的構件——構件上附著的DNA片段具有和周邊鹼基更高的匹配度。結構中的其他DNA就會選擇新來的片段，換句話說，原始結構中的構件會選擇與新來的構件組成新的結構。

顯而易見的，以上解釋只涉及最簡單、最理想的情況，實際的操作和設計要複雜得多。

共同作者、博士後Grigory Tikhomirov的說：以前的技術，相當於你爆了車胎，而不得不買一輛新車；這是難以接受的事情，所以我們又開發出置換工藝，可以更換和升級工程納米級機器的多個部件，使其更加高效和複雜。

本文譯自 sciencedaily，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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