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女科學(xué)家發(fā)明具有分揀功能的DNA機(jī)器人
一條腿，兩只腳，一條胳膊，一只手，身高僅20納米的DNA機(jī)器人正在工作。
它每邁一步的距離是6納米，是人類(lèi)步長(zhǎng)的億萬(wàn)分之一。別看這一步，DNA機(jī)器人需要5分鐘來(lái)完成。遇到目標(biāo)“貨物”時(shí)，DNA機(jī)器人的“手”會(huì)抓起，將其放至目的地。
上述的場(chǎng)景已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)。當(dāng)?shù)貢r(shí)間9月14日，美國(guó)加州理工大學(xué)助理教授錢(qián)璐璐的實(shí)驗(yàn)室在《科學(xué)》雜志發(fā)文，介紹了這一具有分揀功能的DNA機(jī)器人，其遞送貨物的成功率為80%。
“就好像電子機(jī)械機(jī)器人被送到火星等太遙遠(yuǎn)而人類(lèi)不能及的地方，我們希望有一天可以將分子機(jī)器人送到太微小而人類(lèi)不能及的地方，比如說(shuō)血液里。”錢(qián)璐璐說(shuō)。
錢(qián)璐璐。
這一研究成果為通用型DNA機(jī)器人的應(yīng)用帶來(lái)諸多可能性?？赡苡幸惶?，它能對(duì)垃圾的分子進(jìn)行分類(lèi)回收。更科幻些，也許，DNA機(jī)器人可以在探測(cè)到特定疾病信號(hào)時(shí)將藥物分子運(yùn)輸?shù)窖褐谢蚣?xì)胞中指定的地方，在極微小的尺度里完成醫(yī)生和普通藥物無(wú)法完成的任務(wù)。
什么是DNA機(jī)器人？
DNA機(jī)器人實(shí)則是一個(gè)DNA單鏈分子，當(dāng)它沒(méi)有和其他分子結(jié)合時(shí)，就像“一條軟繩”。在錢(qián)璐璐實(shí)驗(yàn)室的DNA機(jī)器人僅由53個(gè)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(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)是兩條DNA單鏈通過(guò)兩兩配對(duì)(A-T，C-G)的堿基，形成螺旋狀的梯子似的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)DNA的獨(dú)特化學(xué)和物理特性，科學(xué)家可以對(duì)其進(jìn)行編程。而DNA機(jī)器人就是一條具有特定堿基序列的單鏈DNA，它根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，和周?chē)牧硪粭lDNA單鏈結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)二維空間中的“行走”和“分揀”。
DNA機(jī)器人分類(lèi)揀選兩類(lèi)貨物的概念圖。
DNA機(jī)器人是如何工作的？
錢(qián)璐璐實(shí)驗(yàn)室對(duì)DNA機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試的場(chǎng)所是一個(gè)58納米×58納米的大分子表面，上面設(shè)置有上百個(gè)“樁子”。這些樁子是DNA機(jī)器人得以行走的重要幫手。每個(gè)樁子實(shí)則也是一條DNA單鏈，它們與DNA機(jī)器人的“腿”和其中一只“腳”堿基互補(bǔ)。換而言之，機(jī)器人DNA會(huì)和樁子結(jié)合，相當(dāng)于機(jī)器人“踩”在了樁子上。
但怎么在不同的樁子之間移動(dòng)呢?別忘了，DNA機(jī)器人有兩只腳，當(dāng)一只腳和樁子結(jié)合時(shí)，另一只腳是可以自由活動(dòng)的。隨機(jī)的分子波動(dòng)會(huì)使得自由的那只腳“夠”到另一個(gè)樁子，進(jìn)行下一次的配對(duì)，實(shí)現(xiàn)空間移動(dòng)。從中，此前的那只腳隨之恢復(fù)自由。在這一循環(huán)往復(fù)的過(guò)程中，DNA機(jī)器人可以在沒(méi)有能量供應(yīng)的情況下，進(jìn)行隨機(jī)的移動(dòng)。
途中，一旦DNA機(jī)器人碰到“貨物”，就會(huì)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(shí)則是連接在一段DNA單鏈上的分子，而這段DNA單鏈又和機(jī)器人“手”堿基互補(bǔ)。
機(jī)器人運(yùn)載著貨物，需要將其放置在目的地。這依賴(lài)于示意機(jī)器人放下貨物的“信號(hào)”，一旦接到這一“命令”，機(jī)器人就會(huì)遵從。如果一直沒(méi)有遇到這一“信號(hào)”，機(jī)器人就會(huì)攜帶貨物保持行走。
實(shí)驗(yàn)人員測(cè)試了DNA機(jī)器人分揀兩種熒光分子的表現(xiàn)，在24小時(shí)內(nèi)，機(jī)器人成功將散布在不同地方的6個(gè)熒光分子運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)。
“雖然我們只演示了用DNA機(jī)器人來(lái)完成一個(gè)具體的任務(wù)，但我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)其實(shí)可以完成更廣泛的任務(wù)，比如說(shuō)將十多種而不只是兩種不同的分子貨物分別運(yùn)輸?shù)讲煌牡攸c(diǎn)，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(shuō)，“而且每個(gè)大分子表面可以有不同數(shù)量的機(jī)器人去完成難度不同的任務(wù)，這些任務(wù)可以被并行執(zhí)行”。
