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錢璐璐課題組Science發文:DNA的一小步,人類的一大步

葯明康德/報道

今日,頂尖學術期刊《科學》刊登了一篇來自加州理工學院(Caltech)生物工程系錢璐璐教授課題組的重量級論文。研究人員們表明,他們能夠對DNA進行「編程」,控制DNA「走」到特定區域,「撿起」特定的分子,並把它們搬運到另一個地方。

本研究的主要負責人錢璐璐教授(圖片來源:加州理工學院)

就像我們能把機器人送往火星一樣,我們也能將機器人送到人去不了的微觀世界,」 錢璐璐教授說:「我們的目標是打造一款分子機器人,執行『分揀』這樣的複雜納米任務。」

為了成功打造一款DNA機器人,研究人員先行開發了三大組成元件:第一個元件是帶有兩隻「腳」的「腿」,它能讓DNA「行走」;第二個元件是能撿起特定分子的「手」;最後一個元件是識別信號,告訴「手」放下分子的「腦袋」

組成這些元件的,僅僅是一根單鏈DNA上的幾個核苷酸!

幾個核苷酸,組成了DNA機器人的重要元件(圖片來源:《科學》)

想要用幾個核苷酸實現複雜的功能,研究人員需要對DNA的化學和物理性質有著極為透徹的理解。DNA的鹼基能形成互補,A與T,G與C在雙鏈DNA中能形成鹼基對,讓DNA穩定。換句話說,當單鏈的DNA遇到和它互補的另一條單鏈DNA時,就會形成一條穩定的雙鏈DNA。更有意思的是,如果兩條單鏈DNA之間沒有形成完美的互補,那麼當它們遇到更適合自己的其他單鏈DNA時,就會投向對方的懷抱,形成新的雙鏈DNA。

利用這個原理,研究人員教會了DNA機器人怎麼工作。

DNA機器人學會了分揀熒光分子(圖片來源:《科學》)

首先,研究人員們製作了一塊58納米見方的場地,上面有許多豎起的單鏈DNA樁子,它們能與DNA機器人的「腳」形成互補。當機器人的一隻腳踩上樁子時,另一隻腳就會處於懸空狀態。在分子的隨機波動下,這隻懸空的腳又會踩到場地上的其他樁子,解放出第一隻腳。這就好像人在走路一樣,你邁出左腳時,右腳依舊踩在實地上。這樣一來,DNA機器人就學會了在場地上閑逛。

據估計,DNA機器人邁出的步伐只有人類步伐的幾億分之一!

這項研究的意義在於驗證了DNA機器人的可行性(圖片來源:《科學》)

利用類似的原理,研究人員教會了這些機器人識別和分揀分子。在一項實驗中,研究人員們在打造的場地上放置了2種不同顏色的熒光分子,並要求DNA機器人把粉色的分子放到場地一端,黃色的分子放到場地另一端。儘管這個小機器人的步伐非常小,但它依舊能在一天時間裡,完成人類布置的工作。研究人員還發現,在場地中添加多個DNA機器人,能加快任務完成的速度。這和人類協力工作的情景是多麼相似!

「我們的實驗室專註於發現工程化的方法,使DNA機器人的開發成為可能。我們並不打算用它做具體的應用,」錢璐璐教授說:「但我希望其他研究人員能利用這一原則,帶來令人興奮的應用。比如說,DNA機器人能用來合成帶有治療效果的分子,將藥物遞送到血液或細胞中有特殊信號的地方,或是回收分子垃圾。」

《科學》對這篇論文進行了專文點評(圖片來源:《科學》)

去年,諾貝爾化學獎授予了「分子機器」的合成與設計,彰顯了這一領域的巨大潛力。這也難怪《科學》雜誌對這項研究充滿溢美之辭,並在同期雜誌中進行了專門點評。我們期待這項重量級的研究成果能帶來實際應用,讓DNA在人體中發揮更多作用。

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