将DNA纳米机器编程为拾取并分类到预定区域

资源：加州理工学院

概要：

科学家已经编写了一个由DNA制成的“机器人”来拾取和分选分子到预定的位置。

想象一下一个机器人，可以帮助你整理你的家：漫游，将流浪袜分类到洗衣机和肮脏的菜肴进洗碗机。虽然这样一个实用的帮助者可能仍然是科幻小说，但加州理工学院的科学家们已经开发了一种可以执行类似任务的自主分子机器 - 纳米尺度。这种由单链DNA构成的“机器人”可以自主地在表面“走”，拾取某些分子并将其从指定位置放下。

这项工作是在生物工程助理教授卢露谦的实验室完成的。它出现在9月15日的“科学”杂志上。

为什么是Nanobots？

钱其琛说：“像机电机器人一样，像火星一样被送到遥远的地方，我们希望将分子机器人送到人类不能去的地方，如血液。” “我们的目标是设计和构建一个可以执行复杂的纳米力学任务的分子机器人：货物分拣。

如何构建分子机器人

研究人员由前研究生Anupama Thubagere（PhD '17）领导，研究人员构建了三个可用于组装DNA机器人的基本构建块：一个“腿”，两脚“走”，“手”和“手”用于提取货物，以及可以识别特定下落点并向手指发出货物的部分。这些组分中的每一个都由单链DNA内的几个核苷酸组成。

原则上，这些模块化构建块可以以许多不同的方式组装以完成不同的任务 - 例如，可以使用具有几只手和手臂的DNA机器人同时携带多个分子。

在科学论文中所述的作品中，钱集团建立了一个可以探索分子表面的机器人，拾取两种不同的分子 - 荧光黄色染料和荧光粉红色染料，然后将其分配到两个不同的区域表面。使用荧光分子使研究人员能够看到分子是否终结于其预期的位置。机器人在24小时内成功地将六个散射的分子，三个粉红色和三个黄色分类到正确的位置。将更多的机器人添加到表面缩短了完成任务所需的时间。

Thubagere说：“虽然我们为这个具体任务展示了一个机器人，但是可以将相同的系统设计推广到几十种类型的货物在表面上任意任意的初始位置。 “还可以让多台机器人并行执行不同的排序任务。”

通过DNA进行设计

设计DNA机器的关键是DNA具有独特的化学和物理性质，这些物理性质已知和可编程。单链DNA由称为核苷酸的四种不同分子（缩写为A，G，C和T）组成，并排列成称为序列的序列。这些核苷酸以特定对结合：A与T和G与C.当单链遇到所谓的反向互补链 - 例如，CGATT和AATCG时，两条链以经典的双螺旋形状拉链在一起。

含有正确核苷酸的单链可以强制两个部分拉链相互解压缩。每个压缩和解压缩事件发生的速度以及对于任何给定的DNA序列可以估计消耗多少能量，允许研究人员控制机器人移动的速度以及执行任务所用的能量。另外，可以计算单股或两个拉链的长度。因此，DNA机器人的腿部和脚部可以设计成所需的步长（在这种情况下为6纳米），约为人类步长的百分之几。

使用这些化学和物理原理，研究人员不仅可以设计机器人，还可以设计“操场”，如分子挂钩，以便对其进行测试。在目前的工作中，DNA机器人在一个58纳米到58纳米的钉板上移动，其中钉子由与机器人腿部和脚部互补的单条DNA构成。机器人与其腿部和脚部之一绑定到一个钉子 - 另一只脚自由浮动。当随机分子波动导致这个自由脚遇到附近的钉子时，它将机器人拉动到新的钉子上，并且其另一只脚被释放。该过程继续，机器人在每个步骤沿随机方向移动。

机器人可能需要一天的时间来探索整个电路板。一路上，当机器人遇到拴在钉子上的货物分子时，它们用“手”部件抓住它们，并携带它们，直到它检测到下落点的信号。该过程很慢，但它允许使用非常少的化学能量的非常简单的机器人设计。

未来派应用

“我们不会为任何特定的应用开发DNA机器人，我们的实验室侧重于发现能够开发通用DNA机器人的工程原理，”钱先生说。 “然而，我希望其他研究人员可以将这些原理用于激动人心的应用，例如使用DNA机器人从人造分子工厂的组成部分合成治疗化学物质，只有在给出特定信号时才能传递药物血液或细胞，或在垃圾中分选分子成分进行回收利用。