本週《Science》期刊的封面故事，介紹了一款德國製造的靈活DNA手臂。從而，人類在納米機器人的道路上前進了一大步。
在DNA組裝而成的條帶狀平臺(灰白色)上，安置了多個同樣為DNA構成的納米機械臂(藍紫色)，亮黃色的部分可以檢測機械臂的運動位置。通過施加電場，可以精確地控制納米機械臂旋轉。這套裝置可以進一步發展成為納米機器人的一部分。圖片來源：Science
慕尼黑工業大學的Friedrich C. Simmel團隊使用DNA分子，組裝出了一個可以遠程控制的納米機械臂，並用它成功推動了一個納米金顆粒。這項嘗試證明了DNA機械臂可以作為一個模塊，拼合進其他基於DNA的納米結構中，並且DNA分子可以成為其他納米器件的動力源泉，在一個更大的系統中擔當馬達或者推進器的角色。
之前，加州理工大學錢璐璐課題組去年報道過具分撿功能的DNA機器人，緊接著英國曼徹斯特大學化學系教授David Leigh課題組也報道了可以搬運其他分子的DNA機器人，而本週《Science》上發表的德國的這款納米機器人更確切地說是一個由DNA分子組裝出的，可以遠程控制的納米機械臂。它完成了一個壯舉——推動一個納米金顆粒。
納米科學家與DNA的邂逅
說到DNA分子，它是生物學家的美夢，這種由四種鹼基拼湊的長鏈，藏著生命的大部分秘密。後來，納米科學家們發現DNA具有獨特的理化性質，而且這些理化性質是已知的和可編程的，於是他們開啟了人類最狂野的美夢之一——納米機器人。而那些發現後來也成了設計納米機器人的關鍵。
DNA摺紙術
為了更好地操控組裝DNA片段，一種名為“DNA摺紙術(DNA origami)”的技術應運而生，DNA摺紙術可以將DNA組裝成各種不同的形狀。2006年，一位名叫Rothemund的美國科學家就將一條具有7000個鹼基對的DNA長鏈，彎曲、摺疊出一個笑臉。
後來，人們還使用DNA摺疊出了地圖、星星、盒子，甚至一個蒙娜麗莎。
2017年，Nature曾連發4篇長文，系統報道DNA摺紙術的系列進展。而德國這群來自慕尼黑的研究人員，覺得這些還不夠——他們不只想擁有精巧的圖案，還想讓DNA動起來!於是，就有了今天的介紹的這個DNA納米機械臂。
DNA摺紙原理
DNA納米機械臂的構建
首先，他們通過DNA摺紙術，構造了一個55nm X 55nm的基底平臺和一個長度為25nm的納米手臂，隨後，通過鹼基對連接的方式，像用膠水一樣，將機械臂的一端與平臺粘合在一起。
左圖為DNA納米機械臂的模擬圖，其中藍白色部分為納米機械臂，灰白色則是DNA組裝而成的平臺。右圖是與之相對應的顯微照片，在灰白色的方形平臺上，顏色較淺處勾勒出了納米機械臂的形狀。
下一步，科學家們就是要讓這個機械臂動起來。
DNA納米機械臂的運動原理
高中課本里寫過：在電場中，帶電的物體會發生運動。研究者們把組裝好納米裝置放在特殊的溶液中，使得DNA分子帶上電荷。之後，再把整個系統放在電場裡，並通過電腦遠程控制電場的強弱和方向。接下來，因為DNA的一端早已被固定住了，只有遠離固定點的一端才能運動，當外加的電場足夠強時，整個DNA機械臂就會飛快地旋轉起來。
為了能夠“看到”這個極小裝置的旋轉，研究人員使用了一種名為“熒光共振能量轉移(FRET)”的技術，來追蹤DNA分子的運動。具體來說，就是在DNA摺疊成的平臺上植入一些特殊的小分子。這些小分子的作用如同探測器，當DNA經過它們時，就會產生相應的熒光信號。通過檢測這些熒光信號，就可以明確DNA機械臂的位置，從而檢測到它的動作。
左圖是旋轉中的DNA機械臂的示意圖。右圖為實際檢測到的熒光信號，其中的亮色的圓環是DNA機械臂掃過檢測分子所產生的信號，表明了這個機械臂正在旋轉;中心的亮斑是機械臂與底部平臺的連接點所產生的信號。
讓這個DNA納米機械臂移動東西
研究者們把原有的機械臂延長了16倍，做出了一條400nm長的機械臂。隨後，他們將一顆長度為25nm的金顆粒，貼合到DNA機械臂可以自由移動的那一端。此時，只要開啟外電場，DNA機械臂開始旋轉，就可以帶動頂端的納米顆粒同時移動。
電場控制DNA手臂運輸分子和納米顆粒
圖中上半部分是DNA機械臂(黃白色)推動一個納米金顆粒(金色)的示意圖，其中紅色與綠色的點狀物是檢測分子，用於顯示機械臂與金顆粒運動位置。圖中下半部分是與之對應的顯微照片，其中深色的顆粒是納米金顆粒，淺顏色的線狀結構是DNA機械臂。
既然DNA機械臂能為納米顆粒提供動力，那麼，也就意味著它可能成為其他納米器件的動力源泉，在一個更大的系統中擔當馬達或者推進器的角色。為了達到這方面的目的，就要求DNA機械臂具有易於組裝的特性。因此，研究人員做了進一步的嘗試。他們將多個DNA平臺拼合成一個長長的條狀平臺，並在這個長平臺上同時安置若干個DNA機械臂。當外部的電場啟動後，可以觀察到所有的機械臂都運動了起來，相互之間沒有干擾。
這項嘗試的意義在於，證明了DNA機械臂可以作為一個模塊，拼合進其他基於DNA的納米結構中。在DNA納米機器人的研究上，這條機器臂的出現，具有十分重要的意義。
圖A顯示了一條由多個DNA平臺以及DNA機械臂所組成的納米系統，圖B是與之對應的顯微照片。圖C是圖B的局部放大圖，可以看到在平臺上“伸出了”兩條機械臂。圖D是對這個納米系統外加電場後所檢測到的熒光信號，在條帶狀的DNA平臺上可以看到多個熒光圈，那些就是旋轉著的DNA機械臂。
近年來，納米機器人在生命醫學領域發展迅速，包括藥物運輸、外科手術、醫療診斷、解毒等在內的應用正展現出這些微小機器人得天獨厚的優勢。機械學、生命醫學、納米科學等學科的合作和融合，促使了機器人在疾病預防、診斷和治療應用上綻放出不一樣的火花。
而相對於冷冰冰的機器和電路，DNA這個簡單、柔韌又強大的“天然”工具似乎給我們帶來了更多的親切感。相信科學家們通過設計、製造、操控一條條脫氧核醣核酸大分子，會為我們演繹一個又一個神奇的故事！
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