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DNA机器人:游走在人体内的分子搬运工

[日期:2017-09-20] 来源:亿欧网  作者: [字体: ]

最近,一项新的研究表明,由DNA组成“胳膊”和“腿”的微型机器人可以整理并运送分子货物。来自加州理工学院的研究人员说, 这种DNA机器人可以用来在电路中移动纳米颗粒,组成治疗化合物,并从废弃物中将分子分离出来,进行循环利用,或者进入人体,对其需要治疗的部位运送药物。

“就像机电机器人被派送到人类无法到达的、很远的地方一样。如果我们真正掌握工程分子机器的方法,那么我们将能够建立分子机器人,并把他们送到很小很小的地方,这也是我们人类无法进入的,比如血液里。”该项研究的高级作者兼加州理工学院生物工程助理教授钱露露表示。

新机器人由三个基本模块构成,每个模块都是一个DNA片段。 其中一个模块是“腿”,并有两只“脚”用于行走;另一个模块是“胳膊”,并有一只“手”用于抓取货物;最后一个模块用于识别具体的交货地点,并控制货物的投放。

科学家让这个机器人行走在由DNA折纸制成的58*58的纳米图形上。 DNA折纸术就是将天然DNA单链中的长链进行反复折叠,并用短链加以固定,由此就能绘出方形、星形等一系列对称的DNA图形。 该研究的主要作者、加州理工学院的生物工程师Anupama Thubagere表示:“每一个图形都是由一个DNA长链组成,其形状是由短链固定而成。”

每个DNA机器人的脚都可以与图形的DNA相结合。不过,钱露露解释说,每个机器人的设计都是将其中一只脚固定在图形上,而另一只脚可以自由移动。

当随机的分子波动导致这个DNA机器人的自由足碰到图案时,该自由足就会被锁住,同时释放另一只脚。通过这种方式,机器人可以穿过该图案。DNA机器人的腿和脚的长度决定其步伐的大小。

当这个DNA机器人遇到货物分子被栓到图案上时,它就会用手将其抓取,一直携带到可以交货的地点。这批货物由荧光分子组成,因此科学家可以很容易地追踪这些分子,并用于标记机器人手上的DNA链。

在实验中,研究人员在图形上进行测试,让DNA机器人对随机分散在折纸表面的,两种不同类型的货物——3个荧光黄色分子和3个荧光粉色分子——进行分类,并将这两种货物分到两个特定的位置。研究人员指出,单个机器人可以在24小时内对这些分子进行分类,成功率提高了80%,如果增加更多的DNA机器人将大大缩短交付时间。

这些新的DNA机器人每走一步需要5分钟。平均而言,每个机器人需要大约300步才能完成“货物排序”任务,相比于之前的DNA机器人,步数有所增加,Thubagere说。

尽管这种新的分子机器并不是第一个DNA机器人,但这项工作是“为通用机器人开发构建模块的第一步 ,”钱露露说,“我们展示了一个看似复杂的任务——货物排序,其实很多其他任务可以通过编程来完成,且只需要用非常简单的分子来构建模块。 这也是第一个使用多个DNA机器人共同执行相同任务的首个实验。 ”

科学家们注意到,DNA机器人可以用于运送不同种类的货物,而且多个机器人可以并行地分类整理不同的货物。未来的DNA机器人也可以拥有多个胳膊和手,从而能携带更多的分子。

钱露露说, 未来的研究中,可以向这些分子机器人添加模块,以帮助它们更快地移动,或者帮助它们标记自己所在的位置,并遵循类似于“蚂蚁在巢穴和食物之间轻松找到直接路径”的方法。 这样机器人就能够更有效地运输货物分子。我们也希望在机器人之间增加简单的通讯功能,这样它们就可以合作执行更复杂的任务,就像蜂群一样。

钱露露希望这项研究工作能激励更多研究人员开发模块化的、自使用的DNA机器人来完成各种各样的任务,从而真正理解构建人造分子机器的工程原理,并使它们像物理机器人一样具有可编程性。

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