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除了遺傳，DNA還能干什么？
這里有一個(gè)備選答案：組裝成機(jī)器人。
本周《科學(xué)》（Science）雜志的封面故事，講的就是來(lái)自德國(guó)的科學(xué)家們，使用DNA分子，成功組裝出一個(gè)可以遠(yuǎn)程控制的納米機(jī)械臂，并用它完成了一項(xiàng)壯舉——推動(dòng)一個(gè)納米金顆粒。
在DNA組裝而成的條帶狀平臺(tái)（灰白色）上，安置了多個(gè)同樣為DNA構(gòu)成的納米機(jī)械臂（藍(lán)紫色），亮黃色的部分可以檢測(cè)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)位置。通過(guò)施加電場(chǎng)，可以地控制納米機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)。這套裝置可以進(jìn)一步發(fā)展成為納米機(jī)器人的一部分。圖片來(lái)源：Science | 制圖： C. Bickel/Science | 數(shù)據(jù)支持: E. Kopperger，F(xiàn). C. Simmel/Technical University of Munich
起初，DNA是生物學(xué)家的美夢(mèng)。這條由四種堿基拼湊的長(zhǎng)鏈，藏著生命的大部分秘密。后來(lái)，這種奇特的大分子，又引起了納米科學(xué)家們的興趣。
原因有二：
DNA分子是柔韌又強(qiáng)健的堿基結(jié)合，能確保長(zhǎng)長(zhǎng)的DNA鏈扭曲彎折而不斷裂；
只要設(shè)計(jì)合理，可以通過(guò)堿基對(duì)把兩條DNA地連接起來(lái)，就如同拼樂(lè)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(shù)（DNA origami）”的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。2006年，一位名叫Rothemund的美國(guó)科學(xué)家就用一條具有7000個(gè)堿基對(duì)的DNA長(zhǎng)鏈，彎曲、折疊出一個(gè)笑臉[1]。
使用DNA折紙術(shù)，將DNA分子折疊成笑臉的形狀，圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]
于是，DNA就開(kāi)啟了它的畫(huà)家之路。人們使用DNA能夠折疊出來(lái)的形狀也越來(lái)越復(fù)雜：地圖、星星、盒子，甚至還能拼出一個(gè)蒙娜麗莎[2]！這也間接地證明了一句話：“每個(gè)科學(xué)家，不過(guò)是長(zhǎng)大了的孩子”。
DNA分子折疊成的形狀愈發(fā)復(fù)雜，圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]
但是，德國(guó)一群來(lái)自慕尼黑的研究人員，覺(jué)得這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠——他們不只想擁有精巧的圖案，還想讓DNA動(dòng)起來(lái)！
于是，故事就開(kāi)始了。
首先，他們通過(guò)DNA折紙術(shù)，構(gòu)造了一條納米機(jī)械臂和一個(gè)平臺(tái)。納米臂的長(zhǎng)度只有25nm，底下的平臺(tái)大點(diǎn)，邊長(zhǎng)55nm。隨后，通過(guò)堿基對(duì)連接的方式，像用膠水一樣，將機(jī)械臂的一端與平臺(tái)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(shí)的掛鐘就會(huì)有河北省那么大。
左圖為DNA納米機(jī)械臂的模擬圖，其中藍(lán)白色部分為納米機(jī)械臂，灰白色則是DNA組裝而成的平臺(tái)。右圖是與之相對(duì)應(yīng)的顯微照片，在灰白色的方形平臺(tái)上，顏色較淺處勾勒出了納米機(jī)械臂的形狀。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]
下一步，要考慮如何讓納米機(jī)械臂動(dòng)起來(lái)。
這需要借助一條寫在高中課本里的原理：在電場(chǎng)中，帶電的物體會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。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(gè)系統(tǒng)放在電場(chǎng)里，并通過(guò)電腦遠(yuǎn)程控制電場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向。接下來(lái)，因?yàn)镈NA的一端早已被固定住了，只有遠(yuǎn)離固定點(diǎn)的一端才能運(yùn)動(dòng)，當(dāng)外加的電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，整個(gè)DNA機(jī)械臂就會(huì)飛快地旋轉(zhuǎn)起來(lái)。這樣一來(lái)，這套裝置就更像一個(gè)掛鐘了，只不過(guò)尺寸要比常見(jiàn)的掛鐘小上10萬(wàn)倍。
為了能夠“看到”這個(gè)極小裝置的旋轉(zhuǎn)，研究人員使用了一種名為“熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）”的技術(shù)，來(lái)追蹤DNA分子的運(yùn)動(dòng)[3]。具體來(lái)說(shuō)，就是在DNA折疊成的平臺(tái)上植入一些特殊的小分子。這些小分子的作用如同探測(cè)器，當(dāng)DNA經(jīng)過(guò)它們時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熒光信號(hào)。通過(guò)檢測(cè)這些熒光信號(hào)，就可以明確DNA機(jī)械臂的位置，從而檢測(cè)到它的動(dòng)作。換句話說(shuō)，我們可以看到DNA旋轉(zhuǎn)起來(lái)的熒光“照片”了。
左圖是旋轉(zhuǎn)中的DNA機(jī)械臂的示意圖。右圖為實(shí)際檢測(cè)到的熒光信號(hào)，其中的亮色的圓環(huán)是DNA機(jī)械臂掃過(guò)檢測(cè)分子所產(chǎn)生的信號(hào)，表明了這個(gè)機(jī)械臂正在旋轉(zhuǎn)；中心的亮斑是機(jī)械臂與底部平臺(tái)的連接點(diǎn)所產(chǎn)生的信號(hào)。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]
那么，這種DNA機(jī)器臂能干什么呢？ 干一個(gè)機(jī)械臂該干的事——移動(dòng)?xùn)|西。
研究者們把原有的機(jī)械臂延長(zhǎng)了16倍，做出了一條400nm長(zhǎng)的機(jī)械臂。隨后，他們將一顆長(zhǎng)度為25nm的金顆粒，貼合到DNA機(jī)械臂可以自由移動(dòng)的那一端。此時(shí)，只要開(kāi)啟外電場(chǎng)，DNA機(jī)械臂開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，就可以帶動(dòng)頂端的納米顆粒同時(shí)移動(dòng)。這個(gè)操作看似簡(jiǎn)單，卻有著重大的意義——如能推動(dòng)金顆粒，那么下一步，是不是就能推動(dòng)藥物顆粒了？納米機(jī)器人的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一，就是實(shí)現(xiàn)藥物在分子級(jí)別的釋放。
圖中上半部分是DNA機(jī)械臂（黃白色）推動(dòng)一個(gè)納米金顆粒（金色）的示意圖，其中紅色與綠色的點(diǎn)狀物是檢測(cè)分子，用于顯示機(jī)械臂與金顆粒運(yùn)動(dòng)位置。圖中下半部分是與之對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)是DNA機(jī)械臂。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3] | 中文標(biāo)注：圓的方塊
既然DNA機(jī)械臂能為納米顆粒提供動(dòng)力，那么，也就意味著它可以成為其他納米器件的動(dòng)力源泉，在一個(gè)更大的系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)馬達(dá)或者推進(jìn)器的角色。為了達(dá)到這方面的目的，就要求DNA機(jī)械臂具有易于組裝的特性。因此，研究人員做了進(jìn)一步的嘗試。他們將多個(gè)DNA平臺(tái)拼合成一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的條狀平臺(tái)，并在這個(gè)長(zhǎng)平臺(tái)上同時(shí)安置若干個(gè)DNA機(jī)械臂。當(dāng)外部的電場(chǎng)啟動(dòng)后，可以觀察到所有的機(jī)械臂都運(yùn)動(dòng)了起來(lái)，相互之間沒(méi)有干擾。
這項(xiàng)嘗試的意義在于，證明了DNA機(jī)械臂可以作為一個(gè)模塊，拼合進(jìn)其他基于DNA的納米結(jié)構(gòu)中。一切體系都是由小及大，從簡(jiǎn)單演變?yōu)閺?fù)雜。在DNA納米機(jī)器人的研究上，這條機(jī)器臂的出現(xiàn)，算是邁出了重要的一步。
圖A顯示了一條由多個(gè)DNA平臺(tái)以及DNA機(jī)械臂所組成的納米系統(tǒng)，圖B是與之對(duì)應(yīng)的顯微照片。圖C是圖B的局部放大圖，可以看到在平臺(tái)上“伸出了”兩條機(jī)械臂。圖D是對(duì)這個(gè)納米系統(tǒng)外加電場(chǎng)后所檢測(cè)到的熒光信號(hào)，在條帶狀的DNA平臺(tái)上可以看到多個(gè)熒光圈，那些就是旋轉(zhuǎn)著的DNA機(jī)械臂。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]
一直以來(lái)，納米機(jī)器人都是人類zui狂野的美夢(mèng)之一。學(xué)者們?cè)谶@方面不僅研究著深?yuàn)W的理論，也做出了很多有趣的嘗試。2017年，在法國(guó)舉辦的世界上首屆“納米車大賽”，參賽選手就是一批幾十個(gè)分子組成的“賽車”。*是來(lái)自美國(guó)的“偶極賽車”，時(shí)速高達(dá)35納米[4]。讓這輛賽車全速飆起來(lái)，僅用500年，就可以跑過(guò)一枚硬幣的距離。當(dāng)然，這輛“賽車”造價(jià)不菲，是通過(guò)復(fù)雜的手段，將一個(gè)個(gè)原子拼接出來(lái)的。
如此看來(lái)，簡(jiǎn)單、廉價(jià)、柔韌的DNA無(wú)疑是一個(gè)強(qiáng)大的工具。而且，相對(duì)于冷冰冰的機(jī)器和電路，DNA似乎也能給我們帶來(lái)更多的親切感。
我們?cè)O(shè)計(jì)、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(jī)器人那個(gè)*美夢(mèng)。
但若仔細(xì)想來(lái)，我們自身，何嘗不是DNA設(shè)計(jì)、制造、操控著的一套“機(jī)器”呢？
ps：當(dāng)然，人類設(shè)計(jì)的DNA納米機(jī)器人仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。比如，做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候千萬(wàn)不能打噴嚏，否則，幾個(gè)月的心血就都沒(méi)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(lái)源：果殼
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