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美研制出可编程的分子机器人

2018-12-03 16:46:22

美研制出可编程的分子机器亾

美国研究人员在分子机器人研究方面获得了重大突破。他们对一个由DNA(脱氧核糖核酸)制成的分子机器人进行了编程,让其沿着一个DNA轨道前进、移动、后退、停下。该项技术进步或许可以让科学家终制造出分子级别的、仿如变形金刚一样可自组装的机器人来完成不同的任务。相关研究发表在5月13日出版的《自然》杂志上。

美国哥伦比亚大学的米兰·斯多杨诺维克几年前就研制出了分子机器人“蜘蛛侠”(spider),当时科学家已证明它能够随机地在二维表面行走。而现在,斯多杨诺维克领导的团队通过编程,让其能够沿着特定的轨道运动。这一进展的强大之处在于:一旦被编程,机器人就能够自动完成任务,而不需要人为介入。

研究人员表示,分子机器人带来的好处可以与传统机器人相媲美:从理论上来说,可以通过编程让分子机器人感知环境(比如,看细胞中是否出现了疾病的征兆)、作出决定(决定该细胞是否是癌细胞、是否需要中和等)以及实施动作(传送一个杀死癌症的药物)。另外,科学家还可以通过编程让多个3分子机器人组装成复杂的分子产品。

尽管具有如此广阔的应用前景,但是,分子机器人面临的一个实际问题是:如何给分子编程来让它们完成复杂的任务呢?

研究人员表示,普通的机器人内置很多与命令相关的信息,但单个分子的信息存储量有限,于是,他们考虑在分子的周围环境中填满信息线索。他们使用DNA折纸术创造出了一个编程环境,新研究中用到的“折纸”是一个长方体,厚约2纳米,边长约为10纳米。

DNA折纸术是近年来提出的一种全新的DNA自组装的方法,由美国加州理工学院教授暨研究员保罗·罗斯曼研发完成,是DNA纳米技术与DNA自组装领域的一个重大进展。与传统的DNA自组装技术不同,DNA折纸术通过将一条长的DNA单链(通常为基因组DNA)与一系列经过设计的短DNA片段进行碱基互补,能够可控地构造出高度复杂的纳米图案或结构。

通过将一些单链DNA分子(寡核苷酸)串联在一起,研究人员在DNA折纸上铺设了一团分子“面包屑”轨道,在这些分子“面包屑”的“命令”下,分子机器人“蜘蛛侠”会沿着轨道作出前进、行走、左转、右转或者停下的动作。

研究人员解释说,“蜘蛛侠”是一个四足的分子机器人,其中的三条腿由单链DNA制造,这种DNA能够依附并剪切一个特定序列的DNA。“蜘蛛侠”还装配了一个“开始片段”,也就是它的第四条腿,它将“蜘蛛侠”限制在初始位置上,这个初始位置为DNA折纸轨道上一个特定的寡核苷酸。当“蜘蛛侠”被一个触发片段触发,从初始位置出发时,通过依附然后剪切该分子轨道上的其他片段,它能够沿着轨道前行。,当“蜘蛛侠”遇到一团它能够依附上去但是无法剪切开的DNA的时候,它就自动停下来。简而言之,“蜘蛛侠”是一个能够感知环境的机器人。

尽管科学家之前也曾研发出了很多其他DNA“漫步者”,但是,这些分子机器人从来没有迈出过3步,而“蜘蛛侠”可以行走约100纳米,大约50步。

研究人员表示,分子机器人能够行走这么远这一点本身并不令人吃惊,因为以前就证明“蜘蛛侠”能够走几百步,该研究的意义在于,我们不仅能够保证“蜘蛛侠”迈出那么多步子,并且也能够引导它自动沿着特定的方向前进。

实际上,使用原子力显微镜和单分子荧光显微镜,研究人员能够直接观察“蜘蛛侠”在折纸上匍匐前进的过程,这也表明,他们确实能够引导“蜘蛛侠”朝四个方向前进。

斯多杨诺维克称,在目前的系统中,“蜘蛛侠”只和周围的环境“对话”,他们希望接下来能够增加第二个“蜘蛛侠”,这样,两个分子机器人就可以直接交流,同心协力完成一个任务。

研究人员也表示,这个进步也将成为可自组装机器人的基础,结构复杂的自组装机器人是由许多简单部件结合而成的,它们能够自我组织为任何形状来完成复杂的任务,也可以在碎裂时自我修复。这样的分子机器人未来在医药领域将大有作为,比如让“蜘蛛侠”携带药物进入人体,根据身体的环境释放不同剂量和类型的药物。

斯多杨诺维克表示,尽管这项技术的应用前景非常诱人,但是可能还需要几十年的努力才能够实现,不过,现在的研究已经走上了正轨,分子层面的纳米机器人将成为未来的发展趋势。作者: 来源: 科技 发布者: 亦云只需低浓度siRNA,也能高效沉默基因,Fermentas推出产品,快来免费申请样品!

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