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除了遺傳,DNA還能干什么?
這里有一個備選答案:組裝成機器人。
本周《科學》(Science)雜志的封面故事,講的就是來自德國的科學家們,使用DNA分子,成功組裝出一個可以遠程控制的納米機械臂,并用它完成了一項壯舉——推動一個納米金顆粒。
在DNA組裝而成的條帶狀平臺(灰白色)上,安置了多個同樣為DNA構成的納米機械臂(藍紫色),亮黃色的部分可以檢測機械臂的運動位置。通過施加電場,可以地控制納米機械臂旋轉。這套裝置可以進一步發展成為納米機器人的一部分。圖片來源:Science | 制圖: C. Bickel/Science | 數據支持: E. Kopperger,F. C. Simmel/Technical University of Munich
起初,DNA是生物學家的美夢。這條由四種堿基拼湊的長鏈,藏著生命的大部分秘密。后來,這種奇特的大分子,又引起了納米科學家們的興趣。
原因有二:
DNA分子是柔韌又強健的堿基結合,能確保長長的DNA鏈扭曲彎折而不斷裂;
只要設計合理,可以通過堿基對把兩條DNA地連接起來,就如同拼樂高積木一樣,可以把許多DNA分子片段拼成想要的圖案。
為了更好地操控組裝DNA分子片段,一種名為“DNA折紙術(DNA origami)”的技術應運而生。2006年,一位名叫Rothemund的美國科學家就用一條具有7000個堿基對的DNA長鏈,彎曲、折疊出一個笑臉[1]。
使用DNA折紙術,將DNA分子折疊成笑臉的形狀,圖片來源:參考文獻[1]
于是,DNA就開啟了它的畫家之路。人們使用DNA能夠折疊出來的形狀也越來越復雜:地圖、星星、盒子,甚至還能拼出一個蒙娜麗莎[2]!這也間接地證明了一句話:“每個科學家,不過是長大了的孩子”。
DNA分子折疊成的形狀愈發復雜,圖片來源:參考文獻[2]
但是,德國一群來自慕尼黑的研究人員,覺得這些遠遠不夠——他們不只想擁有精巧的圖案,還想讓DNA動起來!
于是,故事就開始了。
首先,他們通過DNA折紙術,構造了一條納米機械臂和一個平臺。納米臂的長度只有25nm,底下的平臺大點,邊長55nm。隨后,通過堿基對連接的方式,像用膠水一樣,將機械臂的一端與平臺粘合在一起。如果這套裝置有你家墻上的掛鐘那么大,那么真實的掛鐘就會有河北省那么大。
左圖為DNA納米機械臂的模擬圖,其中藍白色部分為納米機械臂,灰白色則是DNA組裝而成的平臺。右圖是與之相對應的顯微照片,在灰白色的方形平臺上,顏色較淺處勾勒出了納米機械臂的形狀。圖片來源:參考文獻[3]
下一步,要考慮如何讓納米機械臂動起來。
這需要借助一條寫在高中課本里的原理:在電場中,帶電的物體會發生運動。研究者們把組裝好納米裝置放在特殊的溶液中,使得DNA分子帶上電荷。之后,再把整個系統放在電場里,并通過電腦遠程控制電場的強弱和方向。接下來,因為DNA的一端早已被固定住了,只有遠離固定點的一端才能運動,當外加的電場足夠強時,整個DNA機械臂就會飛快地旋轉起來。這樣一來,這套裝置就更像一個掛鐘了,只不過尺寸要比常見的掛鐘小上10萬倍。
為了能夠“看到”這個極小裝置的旋轉,研究人員使用了一種名為“熒光共振能量轉移(FRET)”的技術,來追蹤DNA分子的運動[3]。具體來說,就是在DNA折疊成的平臺上植入一些特殊的小分子。這些小分子的作用如同探測器,當DNA經過它們時,就會產生相應的熒光信號。通過檢測這些熒光信號,就可以明確DNA機械臂的位置,從而檢測到它的動作。換句話說,我們可以看到DNA旋轉起來的熒光“照片”了。
左圖是旋轉中的DNA機械臂的示意圖。右圖為實際檢測到的熒光信號,其中的亮色的圓環是DNA機械臂掃過檢測分子所產生的信號,表明了這個機械臂正在旋轉;中心的亮斑是機械臂與底部平臺的連接點所產生的信號。圖片來源:參考文獻[3]
那么,這種DNA機器臂能干什么呢? 干一個機械臂該干的事——移動東西。
研究者們把原有的機械臂延長了16倍,做出了一條400nm長的機械臂。隨后,他們將一顆長度為25nm的金顆粒,貼合到DNA機械臂可以自由移動的那一端。此時,只要開啟外電場,DNA機械臂開始旋轉,就可以帶動頂端的納米顆粒同時移動。這個操作看似簡單,卻有著重大的意義——如能推動金顆粒,那么下一步,是不是就能推動藥物顆粒了?納米機器人的重要應用場景之一,就是實現藥物在分子級別的釋放。
圖中上半部分是DNA機械臂(黃白色)推動一個納米金顆粒(金色)的示意圖,其中紅色與綠色的點狀物是檢測分子,用于顯示機械臂與金顆粒運動位置。圖中下半部分是與之對應的顯微照片,其中深色的顆粒是納米金顆粒,淺顏色的線狀結構是DNA機械臂。圖片來源:參考文獻[3] | 中文標注:圓的方塊
既然DNA機械臂能為納米顆粒提供動力,那么,也就意味著它可以成為其他納米器件的動力源泉,在一個更大的系統中擔當馬達或者推進器的角色。為了達到這方面的目的,就要求DNA機械臂具有易于組裝的特性。因此,研究人員做了進一步的嘗試。他們將多個DNA平臺拼合成一個長長的條狀平臺,并在這個長平臺上同時安置若干個DNA機械臂。當外部的電場啟動后,可以觀察到所有的機械臂都運動了起來,相互之間沒有干擾。
這項嘗試的意義在于,證明了DNA機械臂可以作為一個模塊,拼合進其他基于DNA的納米結構中。一切體系都是由小及大,從簡單演變為復雜。在DNA納米機器人的研究上,這條機器臂的出現,算是邁出了重要的一步。
圖A顯示了一條由多個DNA平臺以及DNA機械臂所組成的納米系統,圖B是與之對應的顯微照片。圖C是圖B的局部放大圖,可以看到在平臺上“伸出了”兩條機械臂。圖D是對這個納米系統外加電場后所檢測到的熒光信號,在條帶狀的DNA平臺上可以看到多個熒光圈,那些就是旋轉著的DNA機械臂。圖片來源:參考文獻[3]
一直以來,納米機器人都是人類zui狂野的美夢之一。學者們在這方面不僅研究著深奧的理論,也做出了很多有趣的嘗試。2017年,在法國舉辦的世界上首屆“納米車大賽”,參賽選手就是一批幾十個分子組成的“賽車”。*是來自美國的“偶極賽車”,時速高達35納米[4]。讓這輛賽車全速飆起來,僅用500年,就可以跑過一枚硬幣的距離。當然,這輛“賽車”造價不菲,是通過復雜的手段,將一個個原子拼接出來的。
如此看來,簡單、廉價、柔韌的DNA無疑是一個強大的工具。而且,相對于冷冰冰的機器和電路,DNA似乎也能給我們帶來更多的親切感。
我們設計、制造、操控著一條條脫氧核醣核酸大分子,一步步靠近納米機器人那個*美夢。
但若仔細想來,我們自身,何嘗不是DNA設計、制造、操控著的一套“機器”呢?
ps:當然,人類設計的DNA納米機器人仍面臨著諸多挑戰。比如,做實驗的時候千萬不能打噴嚏,否則,幾個月的心血就都沒了。(編輯:明天)
Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature, 2006, 440(7082), 297-302.
Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns. Nature, 2017, 552(7683), 67.
A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields. Science,2017, 10.1126/science.aar6580
http://www.sciencemag。。org/news/2017/04/watch-world-s-smallest-cars-race-along-tracks-thinner-human-hair
作者:圓的方塊
來源:果殼