華裔女科學家實現天才的想法：發明全自動DNA分子機器人 | 前沿
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兩個DNA分子機器人正在執行運輸貨物，圖片來自sciencemag.org
撰文 | Lori Dajose
責編 | 葉水送、馮梟
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如今，對很多人來說，太臟、太累以及太危險的工作，常常可由機器人代勞。尤其是機器人廣泛出現在工業領域，大大提高了工作效率和促進經濟的增長。
然而，還有一片廣闊的舞台等待著科學家和機器人一同去表演，那便是微觀世界——分子機器人研究領域。人們一直希望分子機器人能夠在一個人類不能觸及的場合中，完成識別、分類、運輸等一系列複雜任務。
最近，加州理工生物工程系教授錢璐璐研究團隊，在分子機器人領域取得重大突破，相關研究發表在9月15日的《科學》雜誌上。
他們開發出了一種全自動的分子機器，可在納米尺度上執行任務。這些微型機器人由一個單鏈 DNA做成，可自動地二維表面「走來走去」，並可將某些分子「挑來撿去」，最後按照指定的位置再把它們放下。
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機器人可以到達我們人類無法觸及的兩個極限：浩瀚的宇宙和微小的血管，圖片來自Qian』s report.為什麼研究者要發明納米機器人？「這就好象機器人被送到火星等遙遠的、人類不能及的地方，我們希望有一天可將分子機器人送到微小而人類不能及的地方，比如說血液里，」錢璐璐解釋道，「在這項研究中，我們的目的是設計和製造一個可以在納米世界中，執行複雜任務的分子機器人，它的任務就是對分子進行分類。」
分子機器人是怎麼製造出來的？研究人員首先研製出了用來組裝DNA機器人的三個基本模塊: 一條「腿」和兩隻「腳」用來行走，一條「胳膊」和一隻「手」用來固定待運輸的分子貨物，以及當被運輸的「貨物」到達目的地後示意卸貨的「信號」。這三個看似複雜的模塊，各自僅由單鏈DNA中的若干個鹼基組成。
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特殊的DNA結構形式，三鏈雜合的結構是DNA分子機器人的基礎，圖片來自
Qian』s report.
基於此，他們設計、組裝了一個步長僅6納米的機器人。研究者認為，具有特定序列的單鏈可迫使另外由兩個部分組合在一起的雙鏈分開，每個雙鏈和單鏈分開和組合的速度以及消耗的能量取決於它們的DNA序列，所以通過設計DNA的序列就可以控制DNA機器人的行動和執行每一個任務所消耗的能量。當然原則上，這些模塊也可以通過不同的組裝形式，製造能夠執行不同任務的分子機器人。例如，一個能夠同時運輸多個分子貨物的多臂機器人。
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DNA分子機器人的設計，圖片來自Sciencemag.org與此同時，研究人員還設計了DNA機器人的測試場地。這也是由DNA組成的平面結構，在這個平面上有上百根樁子，每個樁子是一條與機器人的腿以及其中一隻腳上的鹼基互補的單鏈。當機器人一隻腳踩在樁子上時，另一隻腳仍可自由活動。當隨機的分子波動導致機器人自由活動的那隻腳碰到附近的另一個樁子，機器人就會移步到新的樁子上去，而踩著之前的樁子的那隻腳，又變成自由的了。這個過程的持續進行可使機器人的每一步行走，都往一個隨機的方向行走。
在一個 58 納米長、 58 納米寬的場地上，DNA機器人大約需要一天的時間來探索整個測試場地。一路上，當機器人遇到拴在樁子上的貨物分子時，就會用「手」抓住貨物
（分子貨物連接在和手的鹼基互補的單鏈上）
，然後繼續行走，直到遇到放下貨物的信號。這個過程雖然很慢，但一個簡單的、消耗很少能量的機器人可完成這個看似複雜的任務。接下來，就要測試DNA機器人如何執行任務了。機器人在一個大分子的表面上自由行走，撿起兩種不同的分子
（一個發出黃色熒光的小分子和一個發出粉色熒光的小分子）
，然後把它們運輸到大分子表面上兩個不同的地方。用熒光分子作為貨物是為了便於觀測它們是否被DNA機器人送到了指定的地點。原則上，任何可用生物或化學方法連接到單鏈 DNA 上的分子都可作為這個機器人運輸的貨物。
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DNA機器人實現分揀貨物分子，來自Science
在這項研究中，機器人成功地將六個散布在不同位置的分子，三個粉色的和三個黃色的，在 24 小時之內分別運輸到了兩個指定的終點。多個機器人同時在一個大分子的表面上運輸貨物可以比單個機器人更快地完成任務。三到五個機器人可以將完成任務的時間縮短到一個小時左右。
「雖然我們只演示了用 DNA 機器人來完成一個具體的任務，我們所設計的系統可以完成更加廣泛的任務，比如說將十多種而不只是兩種不同的分子貨物分別運輸到不同的地點，這些貨物可以被散布在大分子表面任意的地方」，這項研究的第一作者Anupama Thubagere說，「而且每個大分子表面可以有不同數量的機器人去完成難度不同的任務，這些任務可以被並行執行」。
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加州理工生物工程系教授錢璐璐，圖片來自Caltech.edu
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錢璐璐是國內走出去的學霸，先後就讀於東南大學和上海交大當被問及DNA機器人未來的應用時，錢璐璐回復道，「我們並不是為了某些特定的應用而研製DNA機器人，我的實驗室工作側重於理解工程學原理，然後再開發出通用的DNA機器人。當然，我希望其他的研究人員可將這些原理運用到廣泛的應用中。例如，用DNA機器人在人造的分子工廠中來組裝化學藥物，或者在探測到特定的疾病信號時，將藥物分子運輸到血液中或者細胞中指定的地方。儘管很多潛在的應用目前還只是科幻，但也許將來有一天DNA機器人還可以將垃圾的分子成分分類回收」。
參考資料
Thubagere AJ, Qian LL et al. A cargo-sorting DNA robot. Science. 2017.
製版編輯： 常春藤
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