創新

DNA分子機器人

可自主地在一種分子表面“行走”

●創新點

正如機電傳動機器人（electromechanical robot）被派送到了火星等遙遠地方，人們同樣想要派送納米機器人到人類不能夠去的微小空間，例如血液等。2017年9月15日，美國加利福尼亞理工學院生物工程系的研究團隊開發出了一種全自動的分子機器，可在納米尺度上執行任務。

●方法和結果

研究人員首先構建出了3種能夠被用來組裝DNA機器人的基礎構件：“腿部”攜帶著兩只“腳”用于行走；“手臂”和“手”用于抓住貨物；“體節”能夠識別特定的釋放位點，并且給手發送信號釋放它抓住的貨物。每個構件僅由單鏈DNA中的幾個核苷酸組成。該團隊構建的納米機器人能夠在一種大分子表面上探索并抓起兩個不同分子：一個黃色熒光染料分子和一個粉紅色熒光染料分子，隨后將它們分發到這個表面上的兩個不同的區域。實驗結果表明，這種納米機器人在24小時內成功地分揀了6個分子（3個黃色熒光染料分子和3個粉紅色熒光染料分子）到它們的正確位置上。加入更多的納米機器人到這種表面上會縮短完成這項任務所需的時間。這些微型機器人可以完成更加復雜的任務，例如將十多種不同的分子貨物運輸到不同的地點等。

應用前景

DNA機器人可以在未來實現一系列令人激動的應用，比如在人造的分子工廠中組裝化學藥物，將藥物分子運輸到血液中或者細胞中指定的位置，進行小規模的腫瘤手術，或者開發納米設備等。

Source：Anupama J.Thubagere, Wei Li, Lulu Qian, et al. A cargo-sorting DNA robot[J]. Science.2017, 357(6356), eaan6558, doi：10.1126/science.aan6558.

非 侵入性的深腦刺激技術

對大腦的精確調控成為可能

●創新點

腦部電刺激，是近年來進一步發展完善的腦科學實驗技術，對于許多患有重度抑郁癥、阿爾茨海默病或帕金森病的患者來說也是最后的救命稻草。然而，現有的技術還遠不完美，腦深部電刺激（Deep Brain Stimulation，DBS）需要侵入性的開顱手術來植入電極。例如，在治療帕金森病患者時，神經科醫生會將電極埋入丘腦或紋狀體（striatum）——它是人腦控制各種肌肉和日常運動的中心，也是帕金森病的病灶。然而，這些電極的植入并不是一勞永逸的，它們可能會磨損，或需要再次手術來進行替換。腦深部電刺激的手術本身就有風險，可能引發心臟病、癲癇、頭痛、細菌感染、植入區域暫時性的疼痛和腫脹，甚至中風。腦深部電刺激的副作用，則可能包括語言障礙、平衡困難、局部發麻、情緒波動如狂躁或者抑郁等。其他在大腦表層運作的手段，如經顱磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）等非侵入性電磁刺激則因有限的空間準確性為人詬病。2017年6月，美國麻省理工學院的生物工程與神經科學家、“光遺傳學之父”愛德華·博伊登（Edward Boyden）及其團隊在《細胞》雜志發表的一種非侵入性的深腦刺激技術可能給神經科學家對大腦的精確調控和研究帶來新的可能。

●方法和結果

博伊登團隊利用高頻電場相干產生的低頻率電場振蕩，精確刺激目標深部腦區。實驗數據表明，目標區域的神經細胞被選擇性地激活了，周圍的細胞并未表達出只有在激活時才生產的蛋白質。當觀察小鼠的實時行為變化時，他們發現被新技術激活的神經元能立刻改變動物的行為。博伊登的團隊將這種“隔空”刺激腦區的新方法稱為“時間干涉”刺激（Temporal Interference,TI）。為了驗證TI技術的精準程度，研究人員進行了細胞分子層面的研究。他們在進行TI刺激的同時，分別記錄了先后受到刺激的、較淺的體感皮層（somatosensory cortex），以及較深的海馬（hippocampus）神經元發放動作電位的情況。結果表明，被TI刺激后的目標區域神經元與直接受到10赫茲電刺激的對照組神經元均產生了頻率為10赫茲左右的動作電位。此外，對TI技術的安全性測試并未發現病理改變、溫度過高或者細胞凋亡、壞死。

應用前景

TI技術不僅可以在未來應用于抑郁癥、阿爾茨海默病、帕金森病等多種神經精神類疾病的治療，同時也為進一步解密人類腦功能、繪制人類腦圖譜提供了絕佳的方法。

Source：Nir Grossman,David Bono, Nina Dedic, et al.Noninvasive Deep Brain Stimulation via Temporally Interfering Electric Fields[J]. Cell, 2017, 169(6)：1029～1041.

通 過水合離子精確控制石墨烯膜的層間距

過濾或脫鹽領域的最佳候選膜

●創新點

氧化石墨烯膜是由部分氧化的石墨烯片層堆疊而成，具有超薄、高通量、低能耗等優點，可實現在水溶液中篩選離子或分子，在海水淡化、水凈化、氣體分離、離子分離、生物傳感、鋰電池和超級電容器等領域具有廣泛的應用前景。和碳納米管薄膜不同的是，碳納米管孔結構和尺寸固定，而氧化石墨烯膜的孔尺寸可以通過層間距實現調控，這也是氧化石墨烯膜具有廣泛應用的核心基礎。氧化石墨烯膜應用的主要挑戰在于：石墨烯膜在水中容易膨脹，難以實現在納米尺度精確控制層間距。我國3個團隊合作，實現了石墨烯氧化膜層間距的精確控制。

●方法和結果

中國科學院上海應用物理研究所方海平、李景燁團隊,上海大學吳明紅團隊，南京工業大學金萬勤團隊合作，成功使用K+、Na+、Ca2+、Li+或 Mg2+控 制 石墨烯膜的層間距，使氧化石墨烯膜表現出優異的離子篩分和海水淡化性能。此外，由一種類型陽離子控制的膜間距可以有效地選擇性排除具有較大水合體積的其他陽離子。第一性原理計算和紫外吸收光譜表明，最穩定的陽離子吸附位置是氧化物基團和芳環共存的地方。密度泛函理論計算表明，與Na+相比，其他陽離子應該具有比石墨烯片更強的陽離子-π相互作用。

應用前景

這項研究為氧化石墨烯膜的層間距控制提供了新的思路，進一步推進了氧化石墨烯膜在海水淡化等重大領域的實際應用進程。

Source：Ryohichi Sugimura,Deepak Kumar Jha, Areum Han,et al. Haematopoietic stem and progenitor cells from human pluripotent stem cells[J]. Nature,2017，545：432～438.