未來給你做手術(shù)的 也許是DNA機器人

陳曦

總有一天，基于DNA的機器、基于DNA的自組裝機器、基于DNA的納米機器人，可用來治療人類疾病。

目前在很多領(lǐng)域，智能機器人已經(jīng)可以幫人類完成高危、高難的工作。如今的機器人已不再只是“鋼鐵戰(zhàn)士”，生命基本物質(zhì)——DNA（脫氧核糖核酸）賦予納米機器人“血肉之軀”。

這種“麻雀雖小五臟俱全”的DNA機器人，能在納米尺度上執(zhí)行任務，因此它可以在人體細胞內(nèi)發(fā)揮作用，這也讓很多科研人員看到了其在醫(yī)療領(lǐng)域的廣闊前景。在2020年11月1日舉行的第三屆世界頂尖科學家論壇科學前沿話題講堂上，中科院院士、上海交通大學化學化工學院教授樊春海圍繞DNA制成的納米級機器人做了專題報告，表達了其對DNA機器人治療疾病的樂觀設(shè)想。他認為，總有一天，基于DNA的機器、基于DNA的自組裝機器、基于DNA的納米機器人，可用來治療人類疾病。

框架核酸提升DNA機器人“智能”

“DNA納米機器人最核心的技術(shù)就是DNA折紙技術(shù)，在此基礎(chǔ)之上，融合了一些可調(diào)控的機制，使得DNA不止能被折成各種結(jié)構(gòu)，還具有了動態(tài)的機械功能，從而可以被稱為‘機器人。”天津大學化工學院教授、博士生導師齊浩介紹，雖然DNA納米機器人不同于傳統(tǒng)意義上的電子機器人，但之前能構(gòu)建的生物分子都沒有這些動態(tài)的功能，而DNA折紙技術(shù)幫助實現(xiàn)了分子的自組裝，因此能賦予它一些動態(tài)調(diào)控的功能，使之更智能。

“不同形式的DNA結(jié)構(gòu)也被稱為框架核酸。通過DNA折紙技術(shù)，將連成片的DNA當作‘紙，經(jīng)過設(shè)計和堆疊，構(gòu)建出自己想要的模樣，實現(xiàn)了人工設(shè)計自組裝核酸結(jié)構(gòu)。這種折出來的框架核酸，具有可編程的尺寸、形狀和機械性能。有了這些DNA框架結(jié)構(gòu)，科學家就可以在納米范圍內(nèi)精確地組織小分子，使其成為架構(gòu)納米藥物的有效平臺。”齊浩介紹，通過DNA折紙技術(shù)，就可以搭建出機器人的“骨架”。

和傳統(tǒng)的DNA相比，DNA框架具有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，不容易被體內(nèi)的外切酶降解，從而更加準確有效地進入細胞，向人體內(nèi)遞送靶向藥物。

框架核酸可以賦予機器人一些動態(tài)功能，而且這些功能是可控的。“DNA機器人可以實現(xiàn)很多功能，比如DNA行走、識別、結(jié)構(gòu)開合等，這些技術(shù)都是通過DNA的序列設(shè)計技術(shù)來實現(xiàn)的。而序列設(shè)計是基于DNA鏈和鏈之間的識別來控制配對。”齊浩舉例說，比如DNA機器人行走，就是根據(jù)核苷酸的堿基互補配對原則，A、T、C、G這4種堿基能夠兩兩連接，形成雙鏈。利用這個原理，設(shè)計特殊序列的DNA“樁”，這些DNA“樁”就像是DNA機器人前進路上用來踩踏的磚頭。當機器人一只腳踏上正確的“樁”時腿部會快速進行堿基配對，另一只腳隨機選擇一塊正確的“樁”，踏出下一步，踩著之前樁子的那只腳就變自由了。

“其實很多高分子材料都能做出動態(tài)功能，比如溫度、硬度變化，材料也能‘動起來，實現(xiàn)智能化。但之所以DNA用來做機器人引起這么多關(guān)注，是因為DNA折紙可以在這么小的尺度折出更復雜的結(jié)構(gòu)，使得DNA機器人的可控精度、靈敏度更高。”齊浩介紹，目前DNA序列設(shè)計技術(shù)發(fā)展很快，出現(xiàn)了很多軟件，可以精準設(shè)計出DNA鏈和鏈之間相互識別、作用的序列。

能與更多物質(zhì)結(jié)合實現(xiàn)更復雜功能

“最開始研究DNA折紙，主要是通過DNA折紙和組裝，做出一個結(jié)構(gòu)，從而來實現(xiàn)各種功能。現(xiàn)在越來越多的科研人員，讓DNA與生物酶等其他分子結(jié)合在一起，以實現(xiàn)更復雜的功能。”齊浩舉例說，就像去年，有科研人員在DNA折紙技術(shù)基礎(chǔ)上，固定納米金、生物酶，并且精準控制。相當于把DNA折紙做成分子生物芯片，而后固定各種生物元件，以實現(xiàn)更復雜的分子功能。

“這種通過DNA折紙，折出高精準度的核酸框架，而后再把具有不同功能的生物分子精準固定在框架上，從而實現(xiàn)各種生物功能，是DNA機器人未來的主要發(fā)展趨勢。”齊浩說，但這些生物分子固化之后，生物功能怎么去設(shè)計，怎么讓它們相互之間協(xié)調(diào)工作，這都是后期需要解決的一些問題。

目前，DNA機器人的效率也需要提高。 比如來自美國加州理工學院的錢璐璐教授研究出的一種可移動DNA機器人，它邁出一步需要5分鐘，一步只能移動6納米，單個機器人用了接近一天的時間才將6個不同的“貨物”運送到指定位置。

“與低效率同時存在的是高成本，每一個DNA機器人的加工成本都很高，如果需要大批量使用成本會更高。”齊浩解釋，這是因為，比如執(zhí)行一個任務需要100個DNA機器人，目前做不到能精準控制每一個DNA機器人去執(zhí)行命令，如果有幾個機器人“開小差”，完成任務的效率就更低了，付出的成本就會相應增加。

可成為智能升級版靶向藥載體

“DNA機器人在醫(yī)療領(lǐng)域，更多的會用來為某些腫瘤或癌癥患者遞送靶向藥，或是制造納米級設(shè)備元件，成為精準醫(yī)療的加速器。”齊浩進一步解釋，之前都是把藥物做成小分子，在人體內(nèi)漫無目的地擴散到各個部位。后來出現(xiàn)了靶向藥，就是在藥物上增加識別病灶的分子靶點。而用DNA機器人可以制作智能升級版靶向藥。

齊浩強調(diào)，DNA機器人本身并不治病，它只是一個載體，可以攜帶藥物精準到達病灶或者病灶周邊，進行操作精準給藥，以增加現(xiàn)有藥物的效力。

而且除了帶貨、識別、運輸、卸載藥物，DNA機器人還可以被裝載上更多的“邏輯門”，以實現(xiàn)更多的功能和操控。齊浩舉例說，研究人員曾制作過一個DNA機器人盒子，盒子里可攜帶治療腫瘤的藥物，通過設(shè)計識別功能，“盒子機器人”可準確找到腫瘤細胞，并且通過識別預先設(shè)計好的分子信號，打開盒子門。這個開門的操作就可以設(shè)計“和”或者“或”的邏輯門，滿足兩個條件打開門或者滿足兩個條件中的一個就開門。

DNA機器人，能在納米尺度完成這么多復雜的操作，讓科研人員看到了它在醫(yī)療領(lǐng)域前景可期。有專家表示，這種微小的機器人甚至可以完成定位，操作一臺小型手術(shù)。不過與大多數(shù)新生事物相同，DNA機器人應用于醫(yī)療，還有很多關(guān)鍵的問題需要解決，其中最主要的就是生物安全性。

DNA是人類的遺傳信息，使用DNA做成機器人進入人體細胞進行治療，就相當于外源DNA進入人體，可能存在與人類DNA相互作用、整合到人類基因組的情況，對人類自身遺傳信息的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

“目前的科研人員都還在DNA機器人的構(gòu)建層面進行研究，它的功能還沒那么強大。未來DNA機器人的技術(shù)一旦成熟并進入到應用層面，生物的穩(wěn)定性和安全性等問題就會凸顯出來。”齊浩表示。