原创环球科学ScientificAmerican12-16 09:05

摘要: 单链DNA机器人成功实现批量运输

作者 | KATRINA KR?MER

翻译 | 刘彬

 

单链DNA机器能四处走动,拾取、放下单个分子。

 

“它能自发走动,拾取分子货物,把它们整理到特定的目的地”,生物工程师Anupama Thubagere 是这样描述解释她和美国加州理工学院 Lulu Qian团队共同开发的DNA机器人的。受到类似蚂蚁这一类社会化昆虫集群行为的启发,整个机器人的设计并不复杂——但它却是首个能独立完成多重任务的DNA分子机器。


两个DNA机器人共同在DNA折纸表面执行货物分拣任务,把不同颜色的荧光分子从最初无序的位置上运送到各自不同的目的地。

 

到目前为止,DNA机器人的功能仍只限于沿着一条事先规定好的路线行走,或者是让它在一个化学信号的提示下拾取一个分子。即便是这些简单的任务,也往往需要复杂的设置,多重定制的DNA链。另一方面来讲,Qian的团队则让整件事保持简单——机器人本身只是一条53个核苷酸长的连续单链DNA,它由不同的部分组成:两个“脚”域由一条“腿链”连接,还有一条臂链,末端是“手”域。该机器人可以将随机排布的散乱的分子移动,整理成一个个整齐的分子垛,整个过程不需提供任何外部信号或能量输入,因为它的移动,以及货物的拾取和释放过程都是由链的置换反应控制的。


它的测试场上覆盖了一系列单链DNA组成的“桩”,都是由脚部和腿部的互补链组成,它们就像纤维粘在绒毛地毯上一样,把自己粘在表面。当一条腿和一只脚被钉在“桩”上时,机器人的另外一只脚始终自由晃动,直到它能在临近的“桩”的脚部区域找到立足之地。这就会削弱原先脚-腿-桩之间的作用力,机器人将迁移到新的桩上。通过随机移动,机器人最终能探查完整个表面。



来源:Science/AAAS

DNA机器人如何运输货物


“机器人”有通过一条腿连接的两只脚,以便能在组成测试场表面上的各个脚-腿-桩的DNA链之间移动。机器人的手部、手臂和货物的手链、臂链碱基互补,这样机器人就能拾取货物。货物的链和目标链属于完全碱基互补,最后能形成一个完整的DNA双链结构,结束货物运输过程。

 

货物分子也散落在表面上,每个货物分子上都有一条碱基互补的手臂和手部DNA链。如果货物在机器人毗邻的桩上,它就会在机器人的手部找到一个握点,货物链剩余的部分将迁移到机器人上。但是货物同样有一个“货物”链部分,这部分在它被连接到机器人身上之后仍然能自由移动。如果机器人带着货物走到一个符合的“目标点”周围,货物链和目标的DNA链完全碱基互补,形成完整的DNA双链复合物,结束整个旅程。


Qian表示说:“如果我们设计一个用于分类运送货物的宏观机器人,我们可能会在机器人内部放入存储信息,让它能区分不同种类货物之间的区别。”但她的DNA机器人并不能识别不同种类的货物。与之相反,哪个分子要被送往哪里这类信息被储存在货物分子和目的地分子内——机器人只需要运送分子就行了。Qian解释说“我们利用了分子集群来完成这件事,在分子集群内部,智慧将被分散性赋予给不同的分子。”


“这个系统干的漂亮,”来自丹麦奥胡斯大学的DNA纳米技术研究人员Kurt Gothelf这样评价表示,“这么简单的结构却能完成这么复杂的行为,整件事让人感到惊讶。这将是人工分子机器人领域中的一大步。”


单个机器人能在十个小时,300步左右,整理好由两种不同荧光分子组成的六个分子;五个机器人完成同样任务需要不到一个小时。Qian已经对如何能将机器人变得更有效率有了一些想法:“我们正致力于设计一种类信息素信号,机器人能留下这些信号来标记它们已经去过了哪里。这样它们就能找到两个位置之间的直接路径,就和蚂蚁找到巢和食物之间直接路径的情况相似。”


Qian预测表示:“如果我们真的能找到操控分子机器的方法,我们就能把它们送往人类去不了的小地方,比如血流当中。”

 

原文网址:

https://www.chemistryworld.com/news/dna-robot-sorts-out-molecular-mess/3007994.article


本文转载自公众号“创新地标”

参考文献:

A J Thubagere et al, Science, 2017, DOI:10.1126/science.aan6558