利用DNA折紙術(shù)創(chuàng)造動(dòng)態(tài)納米機(jī)器工具箱 _DNA

利用DNA折紙術(shù)創(chuàng)造動(dòng)態(tài)納米機(jī)器工具箱
（報(bào)道）據(jù)鳳凰科技（編譯/嚴(yán)炎劉星）：科學(xué)日?qǐng)?bào)報(bào)道，慕尼黑工業(yè)大學(xué)創(chuàng)造的最新DNA納米設(shè)備，包括一個(gè)具有可移動(dòng)手臂的機(jī)器人，一本可以開(kāi)合的書(shū)，一個(gè)可由開(kāi)關(guān)控制的裝置和一個(gè)致動(dòng)器。這一創(chuàng)造是將DNA作為納米級(jí)別的結(jié)構(gòu)和機(jī)器的可編程建造材料的突破性科學(xué)進(jìn)展。這項(xiàng)發(fā)表在期刊《科學(xué)》上的研究結(jié)果展示了一種結(jié)合以及重新排列模塊化3D建造單元的新方法，后者主要是通過(guò)拼接互補(bǔ)形狀，而非結(jié)合堿基對(duì)的鏈來(lái)實(shí)現(xiàn) 。它不僅開(kāi)啟了建造具有可移動(dòng)部件的實(shí)用納米機(jī)器的新方法，還提供了方便對(duì)自我裝配進(jìn)行編程的工具箱。
【利用DNA折紙術(shù)創(chuàng)造動(dòng)態(tài)納米機(jī)器工具箱】這一領(lǐng)域被稱(chēng)為DNA折紙術(shù)(DNA origami)——它借喻了日本傳統(tǒng)折紙技術(shù)——它正朝實(shí)際應(yīng)用快速發(fā)展，慕尼黑工業(yè)大學(xué)的亨德里克·迪茨(Hendrik Dietz)教授在本月初這樣表示。迪茨因在這一進(jìn)步中所起的作用而被授予德國(guó)科研最重要獎(jiǎng)項(xiàng)戈特弗里德·威廉·萊布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz)獎(jiǎng) 。
近些年，迪茨和他的研究小組在實(shí)際應(yīng)用方向取得了重大進(jìn)展，其中包括實(shí)驗(yàn)性設(shè)備，例如由DNA制成的合成膜通道；還有一些重大發(fā)現(xiàn)，后者將自我裝配過(guò)程所需時(shí)間從一周極大的減少到數(shù)小時(shí)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量接近100%；此外他們還證明了極端復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也可以依照設(shè)計(jì)精確裝配，并達(dá)到亞納米的精確度。
雖然所有的發(fā)展都使用了堿基對(duì)來(lái)確定單個(gè)鏈以及DNA組件是如何結(jié)合，但真正的創(chuàng)新在于結(jié)合的“膠水” 。“一旦你利用堿基對(duì)建造了一個(gè)單元，” 迪茨解釋道，“它就很難分離，因此利用這種方法制造的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)往往結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。”為了促進(jìn)產(chǎn)生具有可移動(dòng)部件的更多DNA納米機(jī)器并潛在的獲得更有用的性能，研究小組從自然的生物分子工具箱里借用了兩種技術(shù)：蛋白質(zhì)使用形狀互補(bǔ)以簡(jiǎn)化與其他分子對(duì)接的方式，以及它們傾向于形成較弱的結(jié)合鍵，這種鍵可以隨時(shí)打破。
生物啟發(fā)的靈活性
在這項(xiàng)研究里，迪茨和研究合作作者作者博士研究生托馬斯·格寧（Thomas Gerling）和克勞斯·瓦根鮑爾（Klaus Wagenbauer），以及慕尼黑工業(yè)大學(xué)慕尼黑工程學(xué)院本科生安德里亞·紐內(nèi)爾（Andrea Neuner）從核酸分子通過(guò)比堿基對(duì)還要弱的相互作用相結(jié)合的機(jī)制中得到啟發(fā) 。在自然界，當(dāng)基于RNA的酶核糖核酸酶P(Ribonuclease P，簡(jiǎn)寫(xiě)RNase P)“識(shí)別”所謂的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA，就會(huì)形成弱鍵；分子被它們互補(bǔ)的形狀引導(dǎo)進(jìn)入足夠近的范圍，就像太空飛船的對(duì)接一樣。
迪茨實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的最新技術(shù)模仿了這一方式。為了創(chuàng)造動(dòng)態(tài)的DNA納米機(jī)器，研究人員對(duì)形狀互補(bǔ)的3D建造單元的自我裝配進(jìn)行了編程。這就激活了一種名為堿基堆疊的微弱、短距離的結(jié)合機(jī)制。三種不同的方法都可以控制這種方式創(chuàng)造的設(shè)備的形狀和行為。
“這為我們提供了一個(gè)根據(jù)相互作用強(qiáng)度分層的層級(jí)，以及位于穩(wěn)定區(qū)域——也就是我們需要它所處的精確位置——從而識(shí)別并與結(jié)合部分相互作用的能力。” 迪茨說(shuō)道。研究小組產(chǎn)生了一系列DNA設(shè)備，從或可能預(yù)示著科技“鞭毛”的千分尺大小的細(xì)絲到具有移動(dòng)部件的納米級(jí)別的機(jī)器——這展示了這一技術(shù)的無(wú)限可能性，同時(shí)測(cè)試了它的極限。
例如，三維納米大小的人形機(jī)器人的透射電鏡結(jié)果證實(shí)了零部件可以精確的按照設(shè)計(jì)拼接在一起。此外，它們還展示了一個(gè)簡(jiǎn)單的控制方法——改變?nèi)芤豪镎x子的濃度——可以在不同配置中積極的相互切換：裝配或者拆卸，“機(jī)械手臂”張開(kāi)或者處于休息狀態(tài) 。
實(shí)現(xiàn)DNA納米設(shè)備在不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間切換的另一種方法——也就是簡(jiǎn)單的升溫或者降溫——被證明尤為可靠。對(duì)于這一設(shè)備的早期版本，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)間的切換要求分離和重新結(jié)合DNA堿基對(duì)，因此系統(tǒng)很可能在幾次切換后因稀釋或者副反應(yīng)而“疲乏” 。而這個(gè)設(shè)備里的一個(gè)類(lèi)似剪刀的致動(dòng)器在經(jīng)歷了四天上千次的溫度切換循環(huán)后仍未表現(xiàn)出任何退化的跡象。
“溫度循環(huán)是向系統(tǒng)添加能量的方法。” 迪茨補(bǔ)充說(shuō)道。“所以如果任何可逆的構(gòu)象轉(zhuǎn)變可以耦合成某種持續(xù)進(jìn)化的過(guò)程，那么我們就不僅獲得了建造納米機(jī)器的方法，還獲得了驅(qū)動(dòng)它們的方法。”
在DNA納米技術(shù)工具箱里添加形狀互補(bǔ)的組件以及弱鍵結(jié)合還增加了靈活性。通過(guò)堿基對(duì)進(jìn)行自我裝配編程就像利用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)計(jì)算機(jī)代碼。研究人員希望這一最新方式可以實(shí)現(xiàn)DNA折紙術(shù)更實(shí)際的應(yīng)用，這就類(lèi)似更高級(jí)的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言會(huì)促進(jìn)軟件工程的發(fā)展。
迪茨將這一技術(shù)比作兒童的樂(lè)高玩具：“你只需要將這些組件設(shè)計(jì)為互補(bǔ)的，而不再需要浪費(fèi)時(shí)間擺弄堿基對(duì)序列以連接組件。”