「手速」超快，科學家造出可高速運動的 DNA 機械臂

DNA 納米機器人系統是納米機器中的一種，並在近些年得到了不斷發展。而在 1 月 19 日的《科學》雜誌上，我們又看到了DNA納米機器人實現的又一項「壯舉」—— 研究人員利用電場加速了 DNA 機器人系統的運動速度。

之前的 DNA 分子機器因為依賴 DNA 分子因子的緣故而不能更快地運行，相比之下，這次的DNA 分子機器人的速度比普通的 DNA 機器人要快上約 10 萬倍, 可以說是極大地促進了 DNA 機器人系統的發展。

該研究由德國慕尼黑工業大學 (TUM) 的團隊完成。論文的合作者，慕尼黑工業大學 (TUM) 的 Friedrich Simmel 教授表示，之前大多數基於 DNA 分子的機器主要是由各式各樣的 DNA 分子進行調控, 包括利用額外添加外部 DNA」燃料鏈」DNA 雜交,DNA-切割酶, 改變緩衝環境 (如 pH 值), 或者使用化學光電開關收集光來誘導反應。不過，由於種種原因，這些方法最終使得運動行為非常的慢，需要數分鐘甚至數小時的時間才能完成所需的運動過程。

與之前展示的 DNA 機器人系統或組裝線相比，此次成果利用電場控制可以更快的對 DNA 機器進行移動和定位，並且該方法不需要添加任何的「燃料」或去改變緩衝環境。

此次實驗中, Simmel 和他的同事們使用了一種分子自組裝的技術: DNA 摺紙。這項技術可以將 DNA 鏈摺疊成巧妙的結構。

通過 DNA摺紙技術，團隊創造了一個邊長為 55 納米的正方形剛性基面，它通過一個靈活的關節與一個 25~400 納米的長臂相連接 (以上所涉及的結構均由 DNA 分子組成)。這個結構被固定在了一個定製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「摺紙」技術「摺疊「出的方形基面與機械臂，以及連接兩者的結點；右圖為在電場的作用下，施加力於機械臂一端，機械臂能圍繞結點軸轉動

因為 DNA 是負電荷的， 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 手臂相對於基板做出任意角運動。電場除了對於 DNA 的進行快速的調控， 還可以用來降低 DNA 對接的穩定性， 從而加快解綁固定在基面上的 DNA 手臂。

圖丨在25赫茲下的機械臂的順時針與逆時針運動

Simmel 補充道，當在基板上創建一些「對接點」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位置。另外當 DNA 手臂固定到一個特定的對接地時, 如果綁定點固定作用足夠強，即便我們撤掉電場，DNA 手臂依然能很好的固定在該點。

該系統的一個重要特點是， DNA 手臂既可以作為一個固定觀察點的 "指針", 也可以起到類似槓桿臂的作用。當 DNA 臂上攜帶許多電荷時，外部電場在其上會產生很大的作用力, 而這種力可以使得 DNA 臂繞支點進行轉動或實現與結點的對接。

將這個機械臂組裝完成之後，研究人員把一個長度25nm的金顆粒放置到該 DNA手臂可自由移動的一端。開啟外電場之後，這個DNA機械臂就會開始旋轉，帶動頂端的納米顆粒發生運動。

圖丨研究者將一個金納米棒綁在了手臂上，帶動它與基面上熒光物質（綠色與紅色）發生作用

雖然確定 DNA 手臂的運行機制已經非常有意義了，但是 Simmel 的研究團隊有著更大的目標。接下來，他們會繼續致力於研究如何利用 DNA 手臂來創建一個用於抓取和釋放分子/納米粒子的可靠機制, 通過手臂將對象從獲取區域移動到目標（靶）區域。

這種 DNA 手臂還可以與其他技術平台連用，任意拾取和釋放所構分子的RNA 或 DNA聚合酶，在原子水平實現生物分子的 3D 列印。Simmel 也認為，在該研究的潛在的應用上，組裝複雜的分子結構的方式或許有點類似於 3D 印表機。儘管將分子迅速地 3D 列印出來是不可能的，但是這項工作為 DNA 納米器件的調控開闢了新的方向。此外，可被遠程控制的 DNA 手臂也適用於藥物分子製備，實現藥物在分子級別的精準釋放。

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