"手速"超快，科學(xué)造出可高速運動的DNA機械臂

研究者將一個金納米棒綁在了手臂上，帶動它與基面上熒光物質(zhì)（綠色與紅色）發(fā)生作用

DNA納米機器人系統(tǒng)是納米機器中的一種，并在近些年得到了不斷發(fā)展。而在2018年1月19日的《科學(xué)》雜志上，我們又看到了DNA納米機器人實現(xiàn)的又一項“壯舉”——研究人員利用電場加速了DNA機器人系統(tǒng)的運動速度。

該研究由德國慕尼黑工業(yè)大學(xué) (TUM)的團隊完成。論文的合作者，慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM)）的費雷德里奇·塞米爾教授表示，之前大多數(shù)基于DNA分子的機器主要是由各式各樣的DNA分子進行調(diào)控,包括利用額外添加外部DNA“燃料鏈”DNA雜交,DNA-切割酶,改變緩沖環(huán)境（如pH值）,或者使用化學(xué)光電開關(guān)收集光來誘導(dǎo)反應(yīng)。不過，由于種種原因，這些方法最終使得運動行為非常的慢，需要數(shù)分鐘甚至數(shù)小時的時間才能完成所需的運動過程。

與之前展示的DNA機器人系統(tǒng)或組裝線相比，此次成果利用電場控制可以更快的對DNA機器進行移動和定位，并且該方法不需要添加任何的“燃料”或去改變緩沖環(huán)境。

此次實驗中,塞米爾和他的同事們使用了一種分子自組裝的技術(shù)：DNA折紙。這項技術(shù)可以將DNA鏈折疊成巧妙的結(jié)構(gòu)。通過DNA折紙技術(shù)，團隊創(chuàng)造了一個邊長為55納米的正方形剛性基面，它通過一個靈活的關(guān)節(jié)與一個25～400納米的長臂相連接 (以上所涉及的結(jié)構(gòu)均由DNA分子組成)。這個結(jié)構(gòu)被固定在了一個定制的裝滿水的樣品室底部，研究人員可以在剛性基面上加上任意方向的電場。

因為DNA是負(fù)電荷的，所以它可以被電場所操控，通過控制DNA的方向，研究人員能夠讓DNA手臂相對于基板做出任意角運動。電場除了對于DNA的進行快速的調(diào)控，還可以用來降低DNA對接的穩(wěn)定性，從而加快解綁固定在基面上的DNA手臂。塞米爾補充道，當(dāng)在基板上創(chuàng)建一些“對接點”的話 ,就可以利用電場將DNA臂從基板上的固定位移到另一個位置。另外當(dāng)DNA手臂固定到一個特定的對接地時,如果綁定點固定作用足夠強，即便我們撤掉電場，DNA手臂依然能很好的固定在該點。

該系統(tǒng)的一個重要特點是，DNA手臂既可以作為一個固定觀察點的"指針",也可以起到類似杠桿臂的作用。當(dāng)DNA臂上攜帶許多電荷時，外部電場在其上會產(chǎn)生很大的作用力,而這種力可以使得DNA臂繞支點進行轉(zhuǎn)動或?qū)崿F(xiàn)與結(jié)點的對接。將這個機械臂組裝完成之后，研究人員把一個長度25nm的金顆粒放置到該DNA手臂可自由移動的一端。開啟外電場之后，這個DNA機械臂就會開始旋轉(zhuǎn)，帶動頂端的納米顆粒發(fā)生運動。

雖然確定DNA手臂的運行機制已經(jīng)非常有意義了，但是塞米爾的研究團隊有著更大的目標(biāo)。接下來，他們會繼續(xù)致力于研究如何利用DNA手臂來創(chuàng)建一個用于抓取和釋放分子/納米粒子的可靠機制,通過手臂將對象從獲取區(qū)域移動到目標(biāo)（靶）區(qū)域。

這種DNA手臂還可以與其他技術(shù)平臺連用，任意拾取和釋放所構(gòu)分子的RNA或DNA聚合酶，在原子水平實現(xiàn)生物分子的3D打印。Simmel也認(rèn)為，在該研究的潛在的應(yīng)用上，組裝復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)的方式或許有點類似于3D打印機。盡管將分子迅速地3D打印出來是不可能的，但是這項工作為DNA納米器件的調(diào)控開辟了新的方向。此外，可被遠(yuǎn)程控制的DNA手臂也適用于藥物分子制備，實現(xiàn)藥物在分子級別的精準(zhǔn)釋放。（摘自美《深科技》（編輯/小文）