首次！Science發布華裔女科學家錢璐璐，僅20納米DNA機器人

一條腿，兩隻腳，一條胳膊，一隻手，身高僅20納米的DNA機器人正在工作。它每邁一步的距離是6納米，是人類步長的億萬分之一。別看這一步，DNA機器人需要5分鐘來完成。遇到目標「貨物」時，DNA機器人的「手」會抓起，將其放至目的地。

當地時間9月14日，美國加州理工大學助理教授錢璐璐的實驗室在《科學》雜誌發文，介紹了這一具有分揀功能的DNA機器人，其遞送貨物的成功率為80%。

此次發表在《Science》上的論文

「就好像電子機械機器人被送到火星等太遙遠而人類不能及的地方，我們希望有一天可以將分子機器人送到太微小而人類不能及的地方，比如說血液里。」錢璐璐說。

錢璐璐

這一研究成果為通用型DNA機器人的應用帶來諸多可能性。可能有一天，它能對垃圾的分子進行分類回收。更科幻些，也許，DNA機器人可以在探測到特定疾病信號時將藥物分子運輸到血液中或細胞中指定的地方，在極微小的尺度里完成醫生和普通藥物無法完成的任務。

什麼是DNA機器人？

DNA機器人實則是一個DNA單鏈分子，當它沒有和其他分子結合時，就像「一條軟繩」。在錢璐璐實驗室的DNA機器人僅由53個核苷酸組成。

DNA的中文名是脫氧核糖核酸，如人所知，DNA是雙螺旋結構，也就是說是兩條DNA單鏈通過兩兩配對（A-T，C-G）的鹼基，形成螺旋狀的梯子似的結構。

根據DNA的獨特化學和物理特性，科學家可以對其進行編程。而DNA機器人就是一條具有特定鹼基序列的單鏈DNA，它根據鹼基互補配對原則，和周圍的另一條DNA單鏈結合，從而實現二維空間中的「行走」和「分揀」。

DNA機器人分類揀選兩類貨物的概念圖

DNA機器人正在運輸貨物

DNA機器人是如何工作的？

作為只有單鏈結構的DNA機器人，它的行走模式更像是一根晃動的彈簧，或是一隻蠕動的毛蟲：

錢璐璐實驗室對DNA機器人進行測試的場所是一個58納米×58納米的大分子表面，上面設置有上百個「樁子」。這些樁子是DNA機器人得以行走的重要幫手。每個樁子實則也是一條DNA單鏈，它們與DNA機器人的「腿」和其中一隻「腳」鹼基互補。換而言之，機器人DNA會和樁子結合，相當於機器人「踩」在了樁子上。

但怎麼在不同的樁子之間移動呢？別忘了，DNA機器人有兩隻腳，當一隻腳和樁子結合時，另一隻腳是可以自由活動的。隨機的分子波動會使得自由的那隻腳「夠」到另一個樁子，進行下一次的配對，實現空間移動。從中，此前的那隻腳隨之恢復自由。在這一循環往複的過程中，DNA機器人可以在沒有能量供應的情況下，進行隨機的移動。

途中，一旦DNA機器人碰到「貨物」，就會用「手」抓住，帶著貨物一起行走。抓取貨物和行走的原理有異曲同工之妙，貨物實則是連接在一段DNA單鏈上的分子，而這段DNA單鏈又和機器人「手」鹼基互補。

機器人運載著貨物，需要將其放置在目的地。這依賴於示意機器人放下貨物的「信號」，一旦接到這一「命令」，機器人就會遵從。如果一直沒有遇到這一「信號」，機器人就會攜帶貨物保持行走。

實驗人員測試了DNA機器人分揀兩種熒光分子的表現，在24小時內，機器人成功將散布在不同地方的6個熒光分子運輸到指定地點。

兩個DNA機器人同時工作的概念圖

「雖然我們只演示了用DNA 機器人來完成一個具體的任務，但我們所設計的系統其實可以完成更廣泛的任務，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。」第一作者Anupama J. 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」。

DNA機器人未來的路

這個由單鏈 DNA製成的分子機器人，可在納米尺度上執行任務，這也是分子機器人領域的重大突破。

與大多數新生事物相同，DNA機器人的測試目前還並不完善，甚至可能存在與人類DNA相互作用、整合到人類基因組的情況，因此DNA機器人在短時間內並不可能進行人體試驗。

對於DNA機器人的未來，發明者錢璐璐表現的十分冷靜客觀。「儘管DNA機器人前途看好，但我的團隊更關注的是DNA機器人的基礎建設—即構建這些分子機器人的工程原理，剩下的目前只能說是科學設想。」

「這項研究最卓越的貢獻是，他們可以使多個簡單的DNA設備同時完成非平凡的任務。這意味著很快這項技術將會被應用在化學合成和納米醫療中，這值得期待。」來自杜克大學（Duke University）的John H. Reif教授在《科學》雜誌的專文點評中以此為結語。

參考：

http://science.sciencemag.org/content/357/6356/1095

http://science.sciencemag.org/content/357/6356/eaan6558

http://www.abc.net.au/news/science/2017-09-15/dna-robots-that-walk-and-sort/8903138

（來源：澎湃新聞、全球人工智慧，轉載自博士聯盟）

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