DNA纳米机器人可能是未来对你进行手术的人
目前,在许多领域,智能机器人已经能够帮助人类完成高风险、高难度的工作。今天的机器人不再只是“钢铁兵”。DNA(脱氧核糖核酸)是生命的基本物质,赋予纳米机器人“血肉之躯”。
这种“麻雀个头小,五脏俱全”的DNA机器人,可以在纳米尺度上执行任务,因此可以在人体细胞中发挥作用,这也让很多研究人员看到了它在医学领域的广阔前景。11月1日,中国科学院院士、上海交通大学化学与化学工程学院教授范春海作了以DNA为核心的纳米机器人专题报告,表达了他对DNA机器人治疗疾病的乐观看法。他相信总有一天,基于DNA的机器、基于DNA的自组装机器和基于DNA的纳米机器人可以用来治疗人类疾病。
DNA纳米机器人的核心技术是DNA折纸技术。在此基础上,它集成了一些可控的机制,使DNA不仅可以折叠成各种结构,而且具有动态的机械功能,因此可以称之为“机器人”,天津大学化学工程学院教授、博士生导师齐浩认为,虽然DNA纳米机器人与传统的电子机器人,没有一个生物分子可以被构造出这些动态功能。DNA折纸技术有助于实现分子的自组装,赋予其一些动态控制功能,使其更加智能化。
不同形式的DNA结构也被称为框架核酸。利用DNA折纸技术,将DNA片段作为“纸”。经过设计和叠加,可以构造出所需的模板,实现自组装核酸结构的人工设计。折叠框核酸具有可编程的尺寸、形状和机械性能。有了这些DNA框架,科学家可以在纳米尺度上精确地组织小分子,使它们成为构建纳米药物的有效平台。”齐浩介绍,机器人的“骨架”可以通过DNA折纸技术构建。
与传统DNA相比,DNA框架具有更稳定的结构,不易被体内核酸外切酶降解,能更准确、更有效地进入细胞,向人体输送靶向药物。
框架核酸可以给机器人一些动态功能,这些功能是可控的DNA机器人可以实现DNA行走、识别、结构开闭等多种功能,这些功能都是通过DNA序列设计技术实现的。序列设计基于对DNA链和控制配对的链的识别。”以齐浩为例,他以DNA机器人行走为例。根据核苷酸互补碱基对的原理,a、t、C、G四个碱基可以成对连接形成双链。利用这一原理,我们可以设计具有特殊序列的DNA“堆”。这些DNA“堆”就像DNA机器人用来践踏前进道路的砖头。当机器人的一只脚在右边的“桩”上时,腿会快速地进行配对。另一只脚将随机选择一个正确的“桩”并踩下一步,踩在前一根柱子上的脚将变为自由。
“事实上,很多高分子材料都能产生动态功能,比如温度和硬度的变化,材料也能‘动’起来,实现智能化。但是,DNA被用作机器人的原因引起了如此多的关注,因为DNA折纸可以在如此小的范围内折叠出更复杂的结构,这使得DNA机器人更加可控和灵敏。”齐浩介绍说,目前,DNA序列设计技术发展迅速,能够准确设计相互识别和相互作用的DNA链和序列的软件很多。
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