DNA机器人:它们可以抵达人类到不了的地方

2017-11-01 10:15 来源:中国青年报 作者:王梦影

  作为纳米前沿科技快速发展的产物,加州理工大学“钱实验室”的DNA机器人步子又小又缓慢。它走一步需要5分钟,步长6纳米,差不多是人类一步的600万分之一。

  它只有20纳米长,大约是一粒米的千分之一。它看起来像根线虫,身子细长,没有脸,蛇一般缠来缠去。它的活动场地是一块DNA合成物的平板,隐藏在试管里——因为太小了,需要被注射进去。

  板子上分布着两种颜色的分子小球。这条“线虫”游来游去,捡起小球送到指定的位置。两种颜色分开摆放。

  它是世界上首例可以同时完成行走、抓起、放下和分类工作的DNA机器人。今年9月,《科学》杂志发表了有关它的论文。

  “这是DNA机器人的重要一步。”杜克大学工程学教授约翰·赖夫说。他自21世纪初就开始关注DNA合成研究的发展。

  对更多人来说,这段跋涉还在肉眼无法看见的维度之中。

  建筑是DNA与生俱来的能力

  DNA机器人和出现在大众媒体上的机器人不太一样。后者的代表是由施瓦辛格扮演的硬汉“终结者”或拖着履带条的大眼睛瓦力。而据钱实验室的管理者、加州理工大学助理教授钱璐璐介绍,自己实验室的这个小家伙在不和其他同伴缠绕时,差不多就是“一条软软的弹力绳”。

  和那些金属家伙不同,它的血肉由核苷酸构成。后者也是脱氧核糖核酸,即DNA的组成物。这也是它名字的由来。

  20世纪80年代,一名叫纳德里安·西曼的纽约晶体学家逐渐意识到,大名鼎鼎的DNA不仅仅是生命秘密的所在,还可以是一种绝佳的建筑材料。

  西曼那会儿留着大胡子,是个喜欢在讲座里开玩笑的年轻教授。他在实验室的工作进行得不太愉快——通过改变条件不断实验析出结晶,以期获得理想的分子成果,却总是不尽人意。

  他突然开了脑洞:能不能让核酸自己组合出结果呢?

  毕竟,这是大自然做了千万年的事情,建筑是DNA与生俱来的能力。

  众所周知,DNA是两条缠绕在一起的双螺旋。具有互补序列的核苷酸,即A和T、C和G相遇,一定会配上对,伸出小触手紧紧握住对方,搭出螺旋向上的阶梯。

  从这个角度来看,纳米生物学实验一下子变成了妈妈织毛衣。只要将序列互补的DNA丢在一起,它们自然会组合出成果。不需要粘合剂,不需要楔子和钉枪,化学承担了所有工作。线头互相缠绕,毛线延伸的方向千变万化,可以彼此正着缠、反着缠、夹花儿缠。

  编织毛衣的“毛线”从DNA上切割下来,刀子则是限制酶。被切下的长长DNA缕(strand)并不像毛线那样光滑,而长着大大小小蜈蚣脚式的尖端。那些格外突出的尖端被称作黏状末端,顾名思义,可以在未来的编织中起到粘连的作用。它们是毛衣的线头。

  通过织毛衣式的人工合成,1982年,西曼获得了一副DNA编就的井字花。实际上,30年来,这个领域的成果图仿佛一本大型毛线手工书。

  西曼和他的后继者不断使用新的编码,改变切割的长短,变换缠绕的方式,制造出花样繁多的DNA分子结构成果。有连续不断如罗马地砖式的2维图案,也有3维的绣球,甚至可以在分子平面上排列出一个笑脸。DNA的“毛线”恪尽职守地排列组合,仿佛运动会开幕式上的团体操表演。

  DNA人工合成物不仅能组成静态的图案,还能造就可以自主动作的机器人。人类能通过编码来设计合成物的运动方式。

  这同样少不了自然的帮忙。DNA是编码的天然材料。它能储存大量信息,因此可以被设计进行活动。编码的基础简洁明了——序列。此外,很多信号能够被转化成自然信号。

  钱璐璐团队的机器人拥有两只“脚”,一条“手臂”和一只“手”。它活动在一个一个特殊的分子表面上,这个平面由短促的DNA合成物组成,像一块钉板。钉子上散落安放着需要被分类的小球。

  机器人的脚和钉子上都被安放了DNA片段。序列互补,片段彼此吸引,脚就在钉子上踩实了。长条状的机器人从而稳稳地攀上钉子,像一只蛇蜿蜒爬上短桩。

  通过编码,两只脚不能同时踩在一颗钉子上。当机器人行动时,它只需用闲着的那只脚攀上想到达的那颗钉子,踩在原来钉子上的脚就会自动松开。它悠游在钉板上,像深草间跃动的一只弹簧。

  机器人对小球的分类同样是依靠序列的帮忙实现的。小球上带有两截DNA片段,一截吸引机器人自由晃动的手掌,从而能被拾起。一截吸引目的地的钉子,从而能被放下。两种不同颜色的货物要被送到不同的目的地,因此配对的标记不一样。

  工作时,机器人被设计遵循最简单的行为法则:乱逛、随缘。你家的扫地机器人满屋乱转,遇到灰尘就吃掉,DNA机器人也如此。手里空空时,遇见货物就捡起来。拿着货物时,遇到目的钉子就放下。

  “这样的漫游不会耗费一点儿能量。”钱璐璐说。

  “真是美丽的工作。”一位化学家在自己的视频网站频道对此评价道,“说起机器人,总会想到机械控制和电脑,而她们看到了其他的方向、自然的一面。”

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(责任编辑:禹瑞丽)
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