“手速”超快，科學(xué)家造出可高速運(yùn)動(dòng)的DNA機(jī)械臂

DNA 納米機(jī)器人系統(tǒng)是納米機(jī)器中的一種，并在近些年得到了不斷發(fā)展。而在 2018年1 月 19 日的《科學(xué)》雜志上，我們又看到了DNA納米機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的又一項(xiàng)“壯舉”—— 研究人員利用電場(chǎng)加速了 DNA 機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度。

該研究由德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué) （TUM） 的團(tuán)隊(duì)完成。論文的合作者，慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM））的 費(fèi)雷德里奇·塞米爾教授表示，之前大多數(shù)基于 DNA 分子的機(jī)器主要是由各式各樣的 DNA 分子進(jìn)行調(diào)控， 包括利用額外添加外部 DNA“燃料鏈”DNA 雜交，DNA-切割酶， 改變緩沖環(huán)境（如 pH 值）， 或者使用化學(xué)光電開(kāi)關(guān)收集光來(lái)誘導(dǎo)反應(yīng)。不過(guò)，由于種種原因，這些方法最終使得運(yùn)動(dòng)行為非常的慢，需要數(shù)分鐘甚至數(shù)小時(shí)的時(shí)間才能完成所需的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

與之前展示的 DNA 機(jī)器人系統(tǒng)或組裝線相比，此次成果利用電場(chǎng)控制可以更快的對(duì) DNA 機(jī)器進(jìn)行移動(dòng)和定位，并且該方法不需要添加任何的“燃料”或去改變緩沖環(huán)境。

此次實(shí)驗(yàn)中， 塞米爾和他的同事們使用了一種分子自組裝的技術(shù)： DNA 折紙。這項(xiàng)技術(shù)可以將 DNA 鏈折疊成巧妙的結(jié)構(gòu)。通過(guò) DNA折紙技術(shù)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一個(gè)邊長(zhǎng)為 55 納米的正方形剛性基面，它通過(guò)一個(gè)靈活的關(guān)節(jié)與一個(gè) 25～400 納米的長(zhǎng)臂相連接 （以上所涉及的結(jié)構(gòu)均由 DNA 分子組成）。這個(gè)結(jié)構(gòu)被固定在了一個(gè)定制的裝滿(mǎn)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(chǎng)。

因?yàn)?DNA 是負(fù)電荷的， 所以它可以被電場(chǎng)所操控，通過(guò)控制 DNA 的方向， 研究人員能夠讓 DNA 手臂相對(duì)于基板做出任意角運(yùn)動(dòng)。電場(chǎng)除了對(duì)于 DNA 的進(jìn)行快速的調(diào)控， 還可以用來(lái)降低 DNA 對(duì)接的穩(wěn)定性， 從而加快解綁固定在基面上的 DNA 手臂。塞米爾補(bǔ)充道，當(dāng)在基板上創(chuàng)建一些“對(duì)接點(diǎn)”的話(huà) ， 就可以利用電場(chǎng)將 DNA 臂從基板上的固定位移到另一個(gè)位置。另外當(dāng) DNA 手臂固定到一個(gè)特定的對(duì)接地時(shí)， 如果綁定點(diǎn)固定作用足夠強(qiáng)，即便我們撤掉電場(chǎng)，DNA 手臂依然能很好的固定在該點(diǎn)。

該系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是， DNA 手臂既可以作為一個(gè)固定觀察點(diǎn)的 "指針"， 也可以起到類(lèi)似杠桿臂的作用。當(dāng) DNA 臂上攜帶許多電荷時(shí)，外部電場(chǎng)在其上會(huì)產(chǎn)生很大的作用力， 而這種力可以使得 DNA 臂繞支點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)或?qū)崿F(xiàn)與結(jié)點(diǎn)的對(duì)接。將這個(gè)機(jī)械臂組裝完成之后，研究人員把一個(gè)長(zhǎng)度25nm的金顆粒放置到該 DNA手臂可自由移動(dòng)的一端。開(kāi)啟外電場(chǎng)之后，這個(gè)DNA機(jī)械臂就會(huì)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)頂端的納米顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

研究者將一個(gè)金納米棒綁在了手臂上，帶動(dòng)它與基面上熒光物質(zhì)（綠色與紅色）發(fā)生作用

雖然確定 DNA 手臂的運(yùn)行機(jī)制已經(jīng)非常有意義了，但是塞米爾的研究團(tuán)隊(duì)有著更大的目標(biāo)。接下來(lái)，他們會(huì)繼續(xù)致力于研究如何利用 DNA 手臂來(lái)創(chuàng)建一個(gè)用于抓取和釋放分子/納米粒子的可靠機(jī)制， 通過(guò)手臂將對(duì)象從獲取區(qū)域移動(dòng)到目標(biāo)（靶）區(qū)域。

這種 DNA 手臂還可以與其他技術(shù)平臺(tái)連用，任意拾取和釋放所構(gòu)分子的RNA 或 DNA聚合酶，在原子水平實(shí)現(xiàn)生物分子的 3D 打印。Simmel 也認(rèn)為，在該研究的潛在的應(yīng)用上，組裝復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)的方式或許有點(diǎn)類(lèi)似于 3D 打印機(jī)。盡管將分子迅速地 3D 打印出來(lái)是不可能的，但是這項(xiàng)工作為 DNA 納米器件的調(diào)控開(kāi)辟了新的方向。此外，可被遠(yuǎn)程控制的 DNA 手臂也適用于藥物分子制備，實(shí)現(xiàn)藥物在分子級(jí)別的精準(zhǔn)釋放。（摘自美《深科技》（編輯/小文）