Science子刊封面：中科大校友、康奈爾教授用DNA造生命特徵機器人

【新智元導讀】華人工程師利用DNA來創造「栩栩如生」的機器。DNA是所有已知生命的原因，但DNA也是一種聚合物。通過利用分子的獨特性質，康奈爾大學的華人工程師們創造了由具有生物特性的生物材料構成的簡單機器。他們用DASH（基於DNA的裝配和層次的合成）材料，讓機器人具備了DNA材料的代謝功能。

作為遺傳物質，DNA為所有已知生命負責。然而，DNA也是一種聚合物，通過利用分子的獨特性質，康奈爾大學的工程師們使用具備生物特性的生物材料構成了簡單機器，並於4月10日在Science Robotics上發表論文《動態DNA材料具有由人工代謝驅動的緊急運動行為》。

使用被他們稱為DASH（基於DNA的裝配和合成的分層）的材料，康奈爾工程師構建的DNA材料，具有新陳代謝能力、自我組裝和組織，這是生命的三個關鍵特徵。

中科大生物系84級，康奈爾農業與生命科學學院生物與環境工程教授Dan Luo解釋到：「我們正在推出一種全新的、逼真的材料概念，由自身的人工新陳代謝提供動力。我們不是在製造生命，而是在創造比以往任何時候都更像生命的材料」。

Dan Luo：康奈爾大學農業與生命科學學院，2001年10月任教職，科大生物系84級。

對於任何維持生命的生物體，必須有一個管理變化的系統。必須生成新的細胞; 舊細胞和廢物必須被清除。生物合成和生物降解是自我可持續性的關鍵要素，需要新陳代謝來維持其形式和功能。

通過這個系統，DNA分子被合成、並以分層方式組裝成模式，從而可以延續動態、自主的生長和衰變過程。

該生物材料，可以從納米級構建塊中自主地出現並自行排列：首先是聚合物；最後是中尺度形狀。從55個核苷酸的基礎種子序列開始，DNA分子成倍增加，產生幾毫米大小的重複DNA鏈；然後將反應溶液注入微流體裝置中，該裝置提供液體能量流和用於生物合成的必要構建塊。

隨著在材料表面流過，DNA合成了自己的新鏈，材料的前端生長、尾端降低、優化平衡，通過這種方式不斷向前蠕動。這些DNA不斷競爭，最終其中一個首先越過終點線。

「這些設計仍然是原始的，但他們展示了一條通過生物分子創造動態機器的新途徑。我們邁出了通過人工新陳代謝構建逼真機器人的第一步，」Luo實驗室講師和研究助理、論文的共同作者Shogo Hamada說道。「即使從簡單的設計，我們也能夠創造出像賽車這樣的複雜行為。人工新陳代謝可以開啟機器人領域的新領域。」

工程師們正在探索如何讓材料識別並自動找出刺激物，例如光線或食物，或者避開有害物。

嵌入DNA材料的程序化代謝是關鍵創新。DNA含有一套新陳代謝和自主再生的說明，在那之後，由其自生自滅。

「一切都來自於其移動和競爭的能力，所有這些過程都是獨立的。沒有外部干擾，」Luo說，「生命從幾種分子開始數十億年。這可能是相同的。」

團隊創建的材料在到期之前可以持續兩個合成和降級周期。 研究人員表示壽命還有延長的可能，因為它可以自我複製更多的「世代」的材料。「最終，該系統可能會導致逼真的自我複製機器，」Hamada說。

Luo認為，最讓人興奮的是DNA的使用為整個系統提供了一種自我進化的可能性！從理論上講，它可以設計成使後代在幾秒鐘內出現，以這種超高速度進行的繁殖將利用DNA的自然突變特性，加速進化過程。

將來，該系統可用作生物感測器，以檢測任何DNA和RNA的存在。該概念還可用於創建動態模板，用於製造沒有活細胞的蛋白質。

工程師正在向技術許可中心申請專利。

參考鏈接：

https://techxplore.com/news/2019-04-dna-lifelike-machines.html

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