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DNA机器人:巨大的一小步

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…

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。”

DNA机器人搬“珠子”,准确率接近百分百

“它们可以抵达人类到不了的地方。机电机器人被送去火星,它们则可以被送到血液循环里,精准运输送达药物。”钱璐璐对媒体表示。

钱璐璐团队的“弹力绳”并不缺少同类。近10年间,科学家运用人工合成DNA制造出了不同功能的分子机器人。

一个长得像带盖小水桶的家伙可能是打击癌症的最新武器。2012年9月,韦斯生物启发工程研究所在《科学》上发表论文,推出了一种新型DNA机器人。

水桶内盛放着药物,水桶外壁装着锁——双螺旋紧紧缠绕,筒体的两部分因而牢牢闭合,保证药物不洒出来。

打开锁的钥匙是一种特定的蛋白。一旦锁上的一小缕DNA识别到了这种蛋白,会转而附着在上面,从而松开锁体的螺旋,打开整个水桶。

研究者希望,它可以在人体的海洋中游走,安然绕过健康的组织,穿过鲜红的血液洪流,只有与黑压压的病变细胞正面交锋时,才被激发,吐出深藏在胸中的炮火。

这种精准而有效的攻击,使它更像一台人体内的歼击机,区别于传统癌症化疗的无差别攻击。

目前,这些DNA机器人还只能在试管中活动,远谈不上进入人体治病。澳大利亚莫那什大学的纳米生物学专家陈文龙曾在接受媒体采访时对钱团队的工作大加赞赏,但他同时也表示:如果机器人贸然进入人体,合成DNA携带的基因编码很可能会扰乱人体本来的基因信息。

科学家的工作重心正集中在怎样让这些小家伙步子迈得更快一点。

今年春天,中科院上海应用物理研究所与华东师范大学的团队合作,在《应用化学》发表论文,介绍了他们构建的一种新机器人,能够通过核酸外切酶驱动,实现更高效的行走。

钱璐璐团队则采取了集团作战的战术。单个机器人做完两种颜色12颗“珠子”的分类需要一整天。他们继而往这片“工地”增加更多的机器人帮手。DNA机器人各走各道,效率大大提高,一天的工作被缩短到了几个小时,准确率保持在接近百分之百。

这也是DNA机器人研究一直以来的一个思路:个体力量再小,团结起来也威力无穷。

未来,钱璐璐希望能模仿集体出动完成任务的蚂蚁,让机器人留下能被同伴辨识的信号,从而提高漫游不准确的效率。

“很多(DNA机器人)在未来可能的应用目前还属于科幻小说的范畴。”钱璐璐说。

生命也是一个程序,自然是写就它的程序员

“尽管它们目前仍然又缓慢又简单,DNA机器人已经显现出超越微电子机器人的种种优势了。”杜克大学的约翰·赖夫表示。

他经历了DNA研究的分岔口。上世纪末,DNA与数据天然紧密的关系,让不少科学家坚信能制造出一台DNA计算机。但经过不断实验,他们中的一些感到越来越深重的懊恼:自己的成果远远赶不上已经存在并仍在飞速发展的微电子计算机。

他们提出:应该让DNA做自己最擅长的工作,在有机组织或其他类似的环境里进行数据处理。微电子电脑可去不了那里。

钱璐璐实验室的年轻团队是这波潮流的最新继任者。他们中有醉心于“不存在于自然中却和自然造物一样复杂”合成物的化学家,也有获得了医学博士学位的程序员。这个实验室共同的兴趣是:编码。

在制造机器人的过程中,他们总在提醒自己:简单、更简单一点。机器人的算法尽量简单,工作的逻辑遵循“是”或“否”的简短流程。连形态都是一个简单的线条,没有千丝万缕的编织造型。

这是因为:“越简单,越可能被作为基础,添加上各种新的功能。”他们的目标不是把某项具体任务做到尽善尽美,而是开发尽可能多的综合用途。

“我和我实验室的兴趣,是建造这些原子机器人的工程原则。”钱璐璐说。

利用工程原则,程序员和工程师打造了一整个微电子世界,从小小的转化器到我们所熟悉的各种机器人。同样,分子生物世界也可以从简单到千变万化。

在钱璐璐眼中,生命也是一个程序。自然是写就它的程序员,分子是搭载它的平台。不同的程序序列,能制造出昆虫、细菌或者小猫咪。

然而,我们对生命这个程序的应用仍然十分有限。“每天有超过1000种iPhone应用诞生,分子的‘应用’数量却远远不及。”

“人类能有机会利用整个分子生物系统的编程空间吗?”钱璐璐在2016年的一次演讲中自问。

她在加州理工大学的个人页面上写道:“自然蕴藏着我们所寻觅的所有美丽和真理,但寻求的旅程还需要被心中的火焰所照亮。”

标签:DNA机器人 2017年11月01日 22:00   [查看原文]  
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