在大多数人的印象中,机器人就应该跟人一样,一个脑袋两只手,一个身子两条腿,但是,美国加州理工大学助理教授、美女科学家钱璐璐及她的团队研发出一个纳米DNA机器人,一条腿,两只脚,一条胳膊,一只手,身高仅20纳米,遇到目标“货物”时,DNA机器人的“手”会抓起,将其放至目的地。

据了解,这个纳米DNA机器人每迈一步的距离是6纳米,是人类步长的亿万分之一。别看这一步,DNA机器人需要5分钟来完成。纳米DNA机器人不仅可以对不同荧光分子进行识别、分拣,并可以将目标分子转运到特殊地点“卸货”, 其递送货物的成功率为80%,当多机器人协同工作时,准确率更是接近100%。这一成果已经发表在最近的《科学》杂志上。

“就好像电子机械机器人被送到火星等太遥远而人类不能及的地方,我们希望有一天可以将分子机器人送到太微小而人类不能及的地方,比如说血液里。”钱璐璐说。

这一研究成果为通用型DNA机器人的应用带来诸多可能性。可能有一天,它能对垃圾的分子进行分类回收。更科幻些,也许,DNA机器人可以在探测到特定疾病信号时将药物分子运输到血液中或细胞中指定的地方,在极微小的尺度里完成医生和普通药物无法完成的任务。

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什么是DNA机器人?

DNA机器人实则是一个DNA单链分子,当它没有和其他分子结合时,就像“一条软绳”。在钱璐璐实验室的DNA机器人仅由53个核苷酸组成。

DNA的中文名是脱氧核糖核酸,如人所知,DNA是双螺旋结构,也就是说是两条DNA单链通过两两配对(A-T,C-G)的碱基,形成螺旋状的梯子似的结构。

根据DNA的独特化学和物理特性,科学家可以对其进行编程。而DNA机器人就是一条具有特定碱基序列的单链DNA,它根据碱基互补配对原则,和周围的另一条DNA单链结合,从而实现二维空间中的“行走”和“分拣”。

DNA机器人是如何工作的?

钱璐璐实验室对DNA机器人进行测试的场所是一个58纳米×58纳米的大分子表面,上面设置有上百个“桩子”。这些桩子是DNA机器人得以行走的重要帮手。每个桩子实则也是一条DNA单链,它们与DNA机器人的“腿”和其中一只“脚”碱基互补。换而言之,机器人DNA会和桩子结合,相当于机器人“踩”在了桩子上。

但怎么在不同的桩子之间移动呢?别忘了,DNA机器人有两只脚,当一只脚和桩子结合时,另一只脚是可以自由活动的。随机的分子波动会使得自由的那只脚“够”到另一个桩子,进行下一次的配对,实现空间移动。从中,此前的那只脚随之恢复自由。在这一循环往复的过程中,DNA机器人可以在没有能量供应的情况下,进行随机的移动。

途中,一旦DNA机器人碰到“货物”,就会用“手”抓住,带着货物一起行走。抓取货物和行走的原理有异曲同工之妙,货物实则是连接在一段DNA单链上的分子,而这段DNA单链又和机器人“手”碱基互补。 机器人运载着货物,需要将其放置在目的地。这依赖于示意机器人放下货物的“信号”,一旦接到这一“命令”,机器人就会遵从。如果一直没有遇到这一“信号”,机器人就会携带货物保持行走。

实验人员测试了DNA机器人分拣两种荧光分子的表现,在24小时内,机器人成功将散布在不同地方的6个荧光分子运输到指定地点。

“虽然我们只演示了用DNA机器人来完成一个具体的任务,但我们所设计的系统其实可以完成更广泛的任务,比如说将十多种而不只是两种不同的分子货物分别运输到不同的地点,这些货物可以被散布在大分子表面任意的地方。”第一作者Anupama J. Thubagere说,“而且每个大分子表面可以有不同数量的机器人去完成难度不同的任务,这些任务可以被并行执行”。

DNA机器人的未来应用走向何方?

对于此项DNA机器人的面世,来自澳大利亚莫纳什大学(Monash University)的纳米仿生研究学者Wenlong Cheng表示,“此项技术的应用前景十分广阔,首先受益的将是靶向药物的传递”他解释道,“如果患者患有肿瘤,这种微小的DNA机器人甚至能够完成定位,并操作一台小型‘手术’”。

来自杜克大学(Duke University)的John H. Reif教授在杂志Science文中点评道,“这项研究最卓越的贡献是,他们可以使多个简单的DNA设备同时完成非平凡的任务。这意味着很快这项技术将会被应用在化学合成和纳米医疗中,这很值得我们期待。”

钱璐璐的态度则偏客观冷静,她表示,“我们不会为任何特定的场景应用开发DNA机器人,实验室的目标是希望能够开发一款通用DNA机器人。然而,我希望其他研究人员能将这项技术用于实际的生产应用,如用DNA机器人从人造分子工厂的组成部分合成治疗化学物质,或在垃圾中分拣分子成分进行回收利用。”