自組裝納米機(jī)器人手臂

可在電場(chǎng)控制下高速運(yùn)行

●創(chuàng)新點(diǎn)

DNA納米機(jī)器人系統(tǒng)是納米機(jī)器人中的一種，近年來(lái)不斷得到發(fā)展。大多數(shù)基于DNA分子的機(jī)器人主要由各式各樣的DNA分子進(jìn)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(lái)誘導(dǎo)反應(yīng)。然而，由于種種原因，這些方法最終使得DNA分子機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行為非常緩慢，需要數(shù)分鐘甚至數(shù)小時(shí)的時(shí)間才能完成所需的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)成功研制出可高速運(yùn)行的DNA分子機(jī)器人，其速度比普通的DNA分子機(jī)器人快10萬(wàn)倍左右。

●方法和結(jié)果

研究者使用了一種分子自組裝的技術(shù)：DNA折紙技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可以將DNA鏈折疊成巧妙的結(jié)構(gòu)。通過(guò)DNA折紙技術(shù)，團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)邊長(zhǎng)為55納米的正方形剛性基面，它由一個(gè)靈活的關(guān)節(jié)與一個(gè)25～400納米長(zhǎng)的手臂連接而成(以上所涉及的結(jié)構(gòu)均由DNA分子組成)。這個(gè)結(jié)構(gòu)被固定在一個(gè)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(chǎng)。因?yàn)镈NA是負(fù)電荷的，所以它可以被電場(chǎng)所操控，通過(guò)控制DNA的方向，研究人員能夠讓DNA手臂相對(duì)于基板做出任意角度的運(yùn)動(dòng)。電場(chǎng)除了可以對(duì)DNA進(jìn)行快速調(diào)控外，還可以用來(lái)降低DNA對(duì)接的穩(wěn)定性，從而加快解綁固定基面上的DNA手臂。與之前展示的DNA分子機(jī)器人系統(tǒng)或組裝線相比，此次成果利用電場(chǎng)控制可以更快地對(duì)DNA分子機(jī)器人進(jìn)行移動(dòng)和定位，并且該方法不需要添加任何的“燃料”或者改變緩沖環(huán)境。

當(dāng)DNA手臂固定到一個(gè)特定的對(duì)接點(diǎn)時(shí)，如果綁定點(diǎn)固定作用足夠強(qiáng)，即便撤掉電場(chǎng)，DNA手臂依然能很好地固定在該點(diǎn)。該系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是，DNA手臂既可以作為一個(gè)固定觀察點(diǎn)的“指針”，也可以起到類似杠桿臂的作用。當(dāng)DNA臂上攜帶多個(gè)電荷時(shí)，外部電場(chǎng)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生很大的作用力，而這種力使得DNA臂可繞支點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)或?qū)崿F(xiàn)與結(jié)點(diǎn)的對(duì)接。將這個(gè)機(jī)械臂組裝完成之后，研究人員把一個(gè)長(zhǎng)度為25納米的金屬顆粒放置到該DNA手臂可自由移動(dòng)的一端。開啟外電場(chǎng)之后，這個(gè)DNA機(jī)械臂就會(huì)開始旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)頂端的納米顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

應(yīng)用前景

該研究確定了DNA手臂的運(yùn)行機(jī)制，對(duì)該領(lǐng)域的研究有重要的意義。接下來(lái)，該研究團(tuán)隊(duì)會(huì)繼續(xù)致力于研究如何利用DNA手臂來(lái)創(chuàng)建一個(gè)用于抓取和釋放分子/納米粒子的可靠機(jī)制，通過(guò)手臂將對(duì)象從獲取區(qū)域移動(dòng)到目標(biāo)區(qū)域。這種DNA手臂還可以與其他技術(shù)平臺(tái)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(shí)現(xiàn)生物分子的3D打印，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的制備，實(shí)現(xiàn)藥物在分子級(jí)別的精準(zhǔn)釋放。

Sources：Enzo Kopperger,Jonathan List1, Sushi Madhira, et al.A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields [J].Science, 2018, 359（6373）:296–301.