發(fā)布日期：2018-01-24
DNA納米機(jī)器人系統(tǒng)是納米機(jī)器中的一種，并在近些年得到了不斷發(fā)展。而在1月19日的《科學(xué)》雜志上，我們又看到了DNA納米機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的又一項(xiàng)“壯舉”—— 研究人員利用電場加速了DNA機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動速度。
之前的DNA分子機(jī)器因?yàn)橐蕾嘍NA分子因子的緣故而不能更快地運(yùn)行，相比之下，這次的DNA分子機(jī)器人的速度比普通的DNA機(jī)器人要快上約10萬倍，可以說是極大地促進(jìn)了DNA機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展。
該研究由德國慕尼黑工業(yè)大學(xué) （TUM） 的團(tuán)隊(duì)完成。論文的合作者，慕尼黑工業(yè)大學(xué) （TUM） 的 Friedrich Simmel 教授表示，之前大多數(shù)基于 DNA 分子的機(jī)器主要是由各式各樣的 DNA 分子進(jìn)行調(diào)控， 包括利用額外添加外部 DNA“燃料鏈”DNA 雜交，DNA-切割酶， 改變緩沖環(huán)境 （如 pH 值）， 或者使用化學(xué)光電開關(guān)收集光來誘導(dǎo)反應(yīng)。不過，由于種種原因，這些方法最終使得運(yùn)動行為非常的慢，需要數(shù)分鐘甚至數(shù)小時(shí)的時(shí)間才能完成所需的運(yùn)動過程。
與之前展示的 DNA 機(jī)器人系統(tǒng)或組裝線相比，此次成果利用電場控制可以更快的對 DNA 機(jī)器進(jìn)行移動和定位，并且該方法不需要添加任何的“燃料”或去改變緩沖環(huán)境。
此次實(shí)驗(yàn)中， Simmel 和他的同事們使用了一種分子自組裝的技術(shù)： DNA 折紙。這項(xiàng)技術(shù)可以將 DNA 鏈折疊成巧妙的結(jié)構(gòu)。
通過 DNA折紙技術(shù)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一個(gè)邊長為 55 納米的正方形剛性基面，它通過一個(gè)靈活的關(guān)節(jié)與一個(gè) 25~400 納米的長臂相連接 （以上所涉及的結(jié)構(gòu)均由 DNA 分子組成）。這個(gè)結(jié)構(gòu)被固定在了一個(gè)定制的裝滿水的樣品室底部，研究人員可以在剛性基面上加上任意方向的電場。
圖丨左圖為利用 DNA“折紙”技術(shù)“折疊”出的方形基面與機(jī)械臂，以及連接兩者的結(jié)點(diǎn)；右圖為在電場的作用下，施加力于機(jī)械臂一端，機(jī)械臂能圍繞結(jié)點(diǎn)軸轉(zhuǎn)動
因?yàn)?DNA 是負(fù)電荷的， 所以它可以被電場所操控，通過控制 DNA 的方向， 研究人員能夠讓 DNA 手臂相對于基板做出任意角運(yùn)動。電場除了對于 DNA 的進(jìn)行快速的調(diào)控， 還可以用來降低 DNA 對接的穩(wěn)定性， 從而加快解綁固定在基面上的 DNA 手臂。
圖丨在25赫茲下的機(jī)械臂的順時(shí)針與逆時(shí)針運(yùn)動
Simmel 補(bǔ)充道，當(dāng)在基板上創(chuàng)建一些“對接點(diǎn)”的話 , 就可以利用電場將 DNA 臂從基板上的固定位移到另一個(gè)位置。另外當(dāng) DNA 手臂固定到一個(gè)特定的對接地時(shí)， 如果綁定點(diǎn)固定作用足夠強(qiáng)，即便我們撤掉電場，DNA 手臂依然能很好的固定在該點(diǎn)。
該系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是， DNA 手臂既可以作為一個(gè)固定觀察點(diǎn)的 “指針”, 也可以起到類似杠桿臂的作用。當(dāng) DNA 臂上攜帶許多電荷時(shí)，外部電場在其上會產(chǎn)生很大的作用力， 而這種力可以使得 DNA 臂繞支點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動或?qū)崿F(xiàn)與結(jié)點(diǎn)的對接。
將這個(gè)機(jī)械臂組裝完成之后，研究人員把一個(gè)長度25nm的金顆粒放置到該 DNA手臂可自由移動的一端。開啟外電場之后，這個(gè)DNA機(jī)械臂就會開始旋轉(zhuǎn)，帶動頂端的納米顆粒發(fā)生運(yùn)動。
圖丨研究者將一個(gè)金納米棒綁在了手臂上，帶動它與基面上熒光物質(zhì)（綠色與紅色）發(fā)生作用
雖然確定 DNA 手臂的運(yùn)行機(jī)制已經(jīng)非常有意義了，但是 Simmel 的研究團(tuán)隊(duì)有著更大的目標(biāo)。接下來，他們會繼續(xù)致力于研究如何利用 DNA 手臂來創(chuàng)建一個(gè)用于抓取和釋放分子/納米粒子的可靠機(jī)制， 通過手臂將對象從獲取區(qū)域移動到目標(biāo)（靶）區(qū)域。
這種 DNA 手臂還可以與其他技術(shù)平臺連用，任意拾取和釋放所構(gòu)分子的RNA 或 DNA聚合酶，在原子水平實(shí)現(xiàn)生物分子的 3D 打印。Simmel 也認(rèn)為，在該研究的潛在的應(yīng)用上，組裝復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)的方式或許有點(diǎn)類似于 3D 打印機(jī)。盡管將分子迅速地 3D 打印出來是不可能的，但是這項(xiàng)工作為 DNA 納米器件的調(diào)控開辟了新的方向。此外，可被遠(yuǎn)程控制的 DNA 手臂也適用于藥物分子制備，實(shí)現(xiàn)藥物在分子級別的精準(zhǔn)釋放。
來源：DeepTech深科技（微信號 mit-tr）
