發(fā)布日期：2017-11-08
作為納米前沿科技快速發(fā)展的產(chǎn)物，加州理工大學(xué)“錢實驗室”的DNA機器人步子又小又緩慢。它走一步需要5分鐘，步長6納米，差不多是人類一步的600萬分之一。 它只有20納米長，大約是一粒米的千分之一。它看起來像根線蟲，身子細(xì)長，沒有臉，蛇一般纏來纏去。它的活動場地是一塊DNA合成物的平板，隱藏在試管里——因為太小了，需要被注射進(jìn)去。 板子上分布著兩種顏色的分子小球。這條“線蟲”游來游去，撿起小球送到指定的位置。兩種顏色分開擺放。 它是世界上首例可以同時完成行走、抓起、放下和分類工作的DNA機器人。今年9月，《科學(xué)》雜志發(fā)表了有關(guān)它的論文。 “這是DNA機器人的重要一步。”杜克大學(xué)工程學(xué)教授約翰·賴夫說。他自21世紀(jì)初就開始關(guān)注DNA合成研究的發(fā)展。 對更多人來說，這段跋涉還在肉眼無法看見的維度之中。 建筑是DNA與生俱來的能力 DNA機器人和出現(xiàn)在大眾媒體上的機器人不太一樣。后者的代表是由施瓦辛格扮演的硬漢“終結(jié)者”或拖著履帶條的大眼睛瓦力。而據(jù)錢實驗室的管理者、加州理工大學(xué)助理教授錢璐璐介紹，自己實驗室的這個小家伙在不和其他同伴纏繞時，差不多就是“一條軟軟的彈力繩”。 和那些金屬家伙不同，它的血肉由核苷酸構(gòu)成。后者也是脫氧核糖核酸，即DNA的組成物。這也是它名字的由來。 20世紀(jì)80年代，一名叫納德里安·西曼的紐約晶體學(xué)家逐漸意識到，大名鼎鼎的DNA不僅僅是生命秘密的所在，還可以是一種絕佳的建筑材料。 西曼那會兒留著大胡子，是個喜歡在講座里開玩笑的年輕教授。他在實驗室的工作進(jìn)行得不太愉快——通過改變條件不斷實驗析出結(jié)晶，以期獲得理想的分子成果，卻總是不盡人意。 他突然開了腦洞：能不能讓核酸自己組合出結(jié)果呢？ 畢竟，這是大自然做了千萬年的事情，建筑是DNA與生俱來的能力。 眾所周知，DNA是兩條纏繞在一起的雙螺旋。具有互補序列的核苷酸，即A和T、C和G相遇，一定會配上對，伸出小觸手緊緊握住對方，搭出螺旋向上的階梯。 從這個角度來看，納米生物學(xué)實驗一下子變成了媽媽織毛衣。只要將序列互補的DNA丟在一起，它們自然會組合出成果。不需要粘合劑，不需要楔子和釘槍，化學(xué)承擔(dān)了所有工作。線頭互相纏繞，毛線延伸的方向千變?nèi)f化，可以彼此正著纏、反著纏、夾花兒纏。 編織毛衣的“毛線”從DNA上切割下來，刀子則是限制酶。被切下的長長DNA縷(strand)并不像毛線那樣光滑，而長著大大小小蜈蚣腳式的尖端。那些格外突出的尖端被稱作黏狀末端，顧名思義，可以在未來的編織中起到粘連的作用。它們是毛衣的線頭。 通過織毛衣式的人工合成，1982年，西曼獲得了一副DNA編就的井字花。實際上，30年來，這個領(lǐng)域的成果圖仿佛一本大型毛線手工書。 西曼和他的后繼者不斷使用新的編碼，改變切割的長短，變換纏繞的方式，制造出花樣繁多的DNA分子結(jié)構(gòu)成果。有連續(xù)不斷如羅馬地磚式的2維圖案，也有3維的繡球，甚至可以在分子平面上排列出一個笑臉。DNA的“毛線”恪盡職守地排列組合，仿佛運動會開幕式上的團體操表演。 DNA人工合成物不僅能組成靜態(tài)的圖案，還能造就可以自主動作的機器人。人類能通過編碼來設(shè)計合成物的運動方式。 這同樣少不了自然的幫忙。DNA是編碼的天然材料。它能儲存大量信息，因此可以被設(shè)計進(jìn)行活動。編碼的基礎(chǔ)簡潔明了——序列。此外，很多信號能夠被轉(zhuǎn)化成自然信號。 錢璐璐團隊的機器人擁有兩只“腳”，一條“手臂”和一只“手”。它活動在一個一個特殊的分子表面上，這個平面由短促的DNA合成物組成，像一塊釘板。釘子上散落安放著需要被分類的小球。 機器人的腳和釘子上都被安放了DNA片段。序列互補，片段彼此吸引，腳就在釘子上踩實了。長條狀的機器人從而穩(wěn)穩(wěn)地攀上釘子，像一只蛇蜿蜒爬上短樁。 通過編碼，兩只腳不能同時踩在一顆釘子上。當(dāng)機器人行動時，它只需用閑著的那只腳攀上想到達(dá)的那顆釘子，踩在原來釘子上的腳就會自動松開。它悠游在釘板上，像深草間躍動的一只彈簧。 機器人對小球的分類同樣是依靠序列的幫忙實現(xiàn)的。小球上帶有兩截DNA片段，一截吸引機器人自由晃動的手掌，從而能被拾起。一截吸引目的地的釘子，從而能被放下。兩種不同顏色的貨物要被送到不同的目的地，因此配對的標(biāo)記不一樣。 工作時，機器人被設(shè)計遵循最簡單的行為法則：亂逛、隨緣。你家的掃地機器人滿屋亂轉(zhuǎn)，遇到灰塵就吃掉，DNA機器人也如此。手里空空時，遇見貨物就撿起來。拿著貨物時，遇到目的釘子就放下。 “這樣的漫游不會耗費一點兒能量。”錢璐璐說。 “真是美麗的工作。”一位化學(xué)家在自己的視頻網(wǎng)站頻道對此評價道，“說起機器人，總會想到機械控制和電腦，而她們看到了其他的方向、自然的一面。” DNA機器人搬“珠子”，準(zhǔn)確率接近百分百 “它們可以抵達(dá)人類到不了的地方。機電機器人被送去火星，它們則可以被送到血液循環(huán)里，精準(zhǔn)運輸送達(dá)藥物。”錢璐璐對媒體表示。 錢璐璐團隊的“彈力繩”并不缺少同類。近10年間，科學(xué)家運用人工合成DNA制造出了不同功能的分子機器人。 一個長得像帶蓋小水桶的家伙可能是打擊癌癥的最新武器。2012年9月，韋斯生物啟發(fā)工程研究所在《科學(xué)》上發(fā)表論文，推出了一種新型DNA機器人。 水桶內(nèi)盛放著藥物，水桶外壁裝著鎖——雙螺旋緊緊纏繞，筒體的兩部分因而牢牢閉合，保證藥物不灑出來。 打開鎖的鑰匙是一種特定的蛋白。一旦鎖上的一小縷DNA識別到了這種蛋白，會轉(zhuǎn)而附著在上面，從而松開鎖體的螺旋，打開整個水桶。 研究者希望，它可以在人體的海洋中游走，安然繞過健康的組織，穿過鮮紅的血液洪流，只有與黑壓壓的病變細(xì)胞正面交鋒時，才被激發(fā)，吐出深藏在胸中的炮火。 這種精準(zhǔn)而有效的攻擊，使它更像一臺人體內(nèi)的殲擊機，區(qū)別于傳統(tǒng)癌癥化療的無差別攻擊。 目前，這些DNA機器人還只能在試管中活動，遠(yuǎn)談不上進(jìn)入人體治病。澳大利亞莫那什大學(xué)的納米生物學(xué)專家陳文龍曾在接受媒體采訪時對錢團隊的工作大加贊賞，但他同時也表示：如果機器人貿(mào)然進(jìn)入人體，合成DNA攜帶的基因編碼很可能會擾亂人體本來的基因信息。 科學(xué)家的工作重心正集中在怎樣讓這些小家伙步子邁得更快一點。 今年春天，中科院上海應(yīng)用物理研究所與華東師范大學(xué)的團隊合作，在《應(yīng)用化學(xué)》發(fā)表論文，介紹了他們構(gòu)建的一種新機器人，能夠通過核酸外切酶驅(qū)動，實現(xiàn)更高效的行走。 錢璐璐團隊則采取了集團作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)。單個機器人做完兩種顏色12顆“珠子”的分類需要一整天。他們繼而往這片“工地”增加更多的機器人幫手。DNA機器人各走各道，效率大大提高，一天的工作被縮短到了幾個小時，準(zhǔn)確率保持在接近百分之百。 這也是DNA機器人研究一直以來的一個思路：個體力量再小，團結(jié)起來也威力無窮。 未來，錢璐璐希望能模仿集體出動完成任務(wù)的螞蟻，讓機器人留下能被同伴辨識的信號，從而提高漫游不準(zhǔn)確的效率。 “很多(DNA機器人)在未來可能的應(yīng)用目前還屬于科幻小說的范疇。”錢璐璐說。 生命也是一個程序，自然是寫就它的程序員 “盡管它們目前仍然又緩慢又簡單，DNA機器人已經(jīng)顯現(xiàn)出超越微電子機器人的種種優(yōu)勢了。”杜克大學(xué)的約翰·賴夫表示。 他經(jīng)歷了DNA研究的分岔口。上世紀(jì)末，DNA與數(shù)據(jù)天然緊密的關(guān)系，讓不少科學(xué)家堅信能制造出一臺DNA計算機。但經(jīng)過不斷實驗，他們中的一些感到越來越深重的懊惱：自己的成果遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上已經(jīng)存在并仍在飛速發(fā)展的微電子計算機。 他們提出：應(yīng)該讓DNA做自己最擅長的工作，在有機組織或其他類似的環(huán)境里進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。微電子電腦可去不了那里。 錢璐璐實驗室的年輕團隊是這波潮流的最新繼任者。他們中有醉心于 “不存在于自然中卻和自然造物一樣復(fù)雜”合成物的化學(xué)家，也有獲得了醫(yī)學(xué)博士學(xué)位的程序員。這個實驗室共同的興趣是：編碼。 在制造機器人的過程中，他們總在提醒自己：簡單、更簡單一點。機器人的算法盡量簡單，工作的邏輯遵循“是”或“否”的簡短流程。連形態(tài)都是一個簡單的線條，沒有千絲萬縷的編織造型。 這是因為：“越簡單，越可能被作為基礎(chǔ)，添加上各種新的功能。”他們的目標(biāo)不是把某項具體任務(wù)做到盡善盡美，而是開發(fā)盡可能多的綜合用途。 “我和我實驗室的興趣，是建造這些原子機器人的工程原則。”錢璐璐說。 利用工程原則，程序員和工程師打造了一整個微電子世界，從小小的轉(zhuǎn)化器到我們所熟悉的各種機器人。同樣，分子生物世界也可以從簡單到千變?nèi)f化。 在錢璐璐眼中，生命也是一個程序。自然是寫就它的程序員，分子是搭載它的平臺。不同的程序序列，能制造出昆蟲、細(xì)菌或者小貓咪。 然而，我們對生命這個程序的應(yīng)用仍然十分有限。“每天有超過1000種iPhone應(yīng)用誕生，分子的‘應(yīng)用’數(shù)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及。” “人類能有機會利用整個分子生物系統(tǒng)的編程空間嗎？”錢璐璐在2016年的一次演講中自問。 她在加州理工大學(xué)的個人頁面上寫道：“自然蘊藏著我們所尋覓的所有美麗和真理，但尋求的旅程還需要被心中的火焰所照亮。”
來源：中國青年報
