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未來給你做手術的也許是DNA納米機器人
2020-12-08 10:42:39 來源: 科技日報
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    目前在很多領域,智能機器人已經可以幫人類完成高危、高難的工作。如今的機器人已不再只是“鋼鐵戰士”,生命基本物質——DNA(脫氧核糖核酸)賦予納米機器人“血肉之軀”。

  這種“麻雀雖小五臟俱全”的DNA機器人,能在納米尺度上執行任務,因此它可以在人體細胞內發揮作用,這也讓很多科研人員看到了其在醫療領域的廣闊前景。在11月1日舉行的第三屆世界頂尖科學家論壇科學前沿話題講堂上,中科院院士、上海交通大學化學化工學院教授樊春海圍繞DNA制成的納米級機器人做了專題報告,表達了其對DNA機器人治療疾病的樂觀設想。他認為,總有一天,基于DNA的機器、基于DNA的自組裝機器、基于DNA的納米機器人,可用來治療人類疾病。

  框架核酸提升DNA機器人“智能”

  “DNA納米機器人最核心的技術就是DNA折紙技術,在此基礎之上,融合了一些可調控的機制,使得DNA不止能被折成各種結構,還具有了動態的機械功能,從而可以被稱為‘機器人’。”天津大學化工學院教授、博士生導師齊浩介紹,雖然DNA納米機器人不同于傳統意義上的電子機器人,但之前能構建的生物分子都沒有這些動態的功能,而DNA折紙技術幫助實現了分子的自組裝,因此能賦予它一些動態調控的功能,使之更智能。

  “不同形式的DNA結構也被稱為框架核酸。通過DNA折紙技術,將連成片的DNA當作‘紙’,經過設計和堆疊,構建出自己想要的模樣,實現了人工設計自組裝核酸結構。這種折出來的框架核酸,具有可編程的尺寸、形狀和機械性能。有了這些DNA框架結構,科學家就可以在納米范圍內精確地組織小分子,使其成為架構納米藥物的有效平臺。”齊浩介紹,通過DNA折紙技術,就可以搭建出機器人的“骨架”。

  和傳統的DNA相比,DNA框架具有更穩定的結構,不容易被體內的外切酶降解,從而更加準確有效地進入細胞,向人體內遞送靶向藥物。

  框架核酸可以賦予機器人一些動態功能,而且這些功能是可控的。“DNA機器人可以實現很多功能,比如DNA行走、識別、結構開合等,這些技術都是通過DNA的序列設計技術來實現的。而序列設計是基于DNA鏈和鏈之間的識別來控制配對。”齊浩舉例説,比如DNA機器人行走,就是根據核苷酸的鹼基互補配對原則,A、T、C、G這4種鹼基能夠兩兩連接,形成雙鏈。利用這個原理,設計特殊序列的DNA“樁”,這些DNA“樁”就像是DNA機器人前進路上用來踩踏的磚頭。當機器人一只腳踏上正確的“樁”時腿部會快速進行鹼基配對,另一只腳隨機選擇一塊正確的“樁”,踏出下一步,踩著之前樁子的那只腳就變自由了。

  “其實很多高分子材料都能做出動態功能,比如溫度、硬度變化,材料也能‘動’起來,實現智能化。但之所以DNA用來做機器人引起這麼多關注,是因為DNA折紙可以在這麼小的尺度折出更復雜的結構,使得DNA機器人的可控精度、靈敏度更高。”齊浩介紹,目前DNA序列設計技術發展很快,出現了很多軟件,可以精準設計出DNA鏈和鏈之間相互識別、作用的序列。

  能與更多物質結合實現更復雜功能

  “最開始研究DNA折紙,主要是通過DNA折紙和組裝,做出一個結構,從而來實現各種功能。現在越來越多的科研人員,讓DNA與生物酶等其他分子結合在一起,以實現更復雜的功能。”齊浩舉例説,就像去年,有科研人員在DNA折紙技術基礎上,固定納米金、生物酶,並且精準控制。相當于把DNA折紙做成分子生物芯片,而後固定各種生物元件,以實現更復雜的分子功能。

  “這種通過DNA折紙,折出高精準度的核酸框架,而後再把具有不同功能的生物分子精準固定在框架上,從而實現各種生物功能,是DNA機器人未來的主要發展趨勢。”齊浩説,但這些生物分子固化之後,生物功能怎麼去設計,怎麼讓它們相互之間協調工作,這都是後期需要解決的一些問題。

  目前,DNA機器人的效率也需要提高。 比如來自美國加州理工學院的錢璐璐教授研究出的一種可移動DNA機器人,它邁出一步需要5分鐘,一步只能移動6納米,單個機器人用了接近一天的時間才將6個不同的“貨物”運送到指定位置。

  “與低效率同時存在的是高成本,每一個DNA機器人的加工成本都很高,如果需要大批量使用成本會更高。”齊浩解釋,這是因為,比如執行一個任務需要100個DNA機器人,目前做不到能精準控制每一個DNA機器人去執行命令,如果有幾個機器人“開小差”,完成任務的效率就更低了,付出的成本就會相應增加。

  可成為智能升級版靶向藥載體

  “DNA機器人在醫療領域,更多的會用來為某些腫瘤或癌症患者遞送靶向藥,或是制造納米級設備元件,成為精準醫療的加速器。”齊浩進一步解釋,之前都是把藥物做成小分子,在人體內漫無目的地擴散到各個部位。後來出現了靶向藥,就是在藥物上增加識別病灶的分子靶點。而用DNA機器人可以制作智能升級版靶向藥。

  齊浩強調,DNA機器人本身並不治病,它只是一個載體,可以攜帶藥物精準到達病灶或者病灶周邊,進行操作精準給藥,以增加現有藥物的效力。

  而且除了帶貨、識別、運輸、卸載藥物,DNA機器人還可以被裝載上更多的“邏輯門”,以實現更多的功能和操控。齊浩舉例説,研究人員曾制作過一個DNA機器人盒子,盒子裏可攜帶治療腫瘤的藥物,通過設計識別功能,“盒子機器人”可準確找到腫瘤細胞,並且通過識別預先設計好的分子信號,打開盒子門。這個開門的操作就可以設計“和”或者“或”的邏輯門,滿足兩個條件打開門或者滿足兩個條件中的一個就開門。

  DNA機器人,能在納米尺度完成這麼多復雜的操作,讓科研人員看到了它在醫療領域前景可期。有專家表示,這種微小的機器人甚至可以完成定位,操作一臺小型手術。

  不過與大多數新生事物相同,DNA機器人應用于醫療,還有很多關鍵的問題需要解決,其中最主要的就是生物安全性。

  DNA是人類的遺傳信息,使用DNA做成機器人進入人體細胞進行治療,就相當于外源DNA進入人體,可能存在與人類DNA相互作用、整合到人類基因組的情況,對人類自身遺傳信息的穩定性産生影響。

  “目前的科研人員都還在DNA機器人的構建層面進行研究,它的功能還沒那麼強大。未來DNA機器人的技術一旦成熟並進入到應用層面,生物的穩定性和安全性等問題就會凸顯出來。”齊浩表示。(記者 陳曦)

【糾錯】 責任編輯: 杜蕙
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