未來(lái)給你做手術(shù)的 也許是DNA機(jī)器人

陳曦

總有一天，基于DNA的機(jī)器、基于DNA的自組裝機(jī)器、基于DNA的納米機(jī)器人，可用來(lái)治療人類疾病。

目前在很多領(lǐng)域，智能機(jī)器人已經(jīng)可以幫人類完成高危、高難的工作。如今的機(jī)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(jī)器人“血肉之軀”。

這種“麻雀雖小五臟俱全”的DNA機(jī)器人，能在納米尺度上執(zhí)行任務(wù)，因此它可以在人體細(xì)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(xué)家論壇科學(xué)前沿話題講堂上，中科院院士、上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授樊春海圍繞DNA制成的納米級(jí)機(jī)器人做了專題報(bào)告，表達(dá)了其對(duì)DNA機(jī)器人治療疾病的樂(lè)觀設(shè)想。他認(rèn)為，總有一天，基于DNA的機(jī)器、基于DNA的自組裝機(jī)器、基于DNA的納米機(jī)器人，可用來(lái)治療人類疾病。

框架核酸提升DNA機(jī)器人“智能”

“DNA納米機(jī)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(jī)制，使得DNA不止能被折成各種結(jié)構(gòu)，還具有了動(dòng)態(tài)的機(jī)械功能，從而可以被稱為‘機(jī)器人。”天津大學(xué)化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師齊浩介紹，雖然DNA納米機(jī)器人不同于傳統(tǒng)意義上的電子機(jī)器人，但之前能構(gòu)建的生物分子都沒(méi)有這些動(dòng)態(tài)的功能，而DNA折紙技術(shù)幫助實(shí)現(xiàn)了分子的自組裝，因此能賦予它一些動(dòng)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(guò)DNA折紙技術(shù)，將連成片的DNA當(dāng)作‘紙，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和堆疊，構(gòu)建出自己想要的模樣，實(shí)現(xiàn)了人工設(shè)計(jì)自組裝核酸結(jié)構(gòu)。這種折出來(lái)的框架核酸，具有可編程的尺寸、形狀和機(jī)械性能。有了這些DNA框架結(jié)構(gòu)，科學(xué)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(tái)。”齊浩介紹，通過(guò)DNA折紙技術(shù)，就可以搭建出機(jī)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(zhǔn)確有效地進(jìn)入細(xì)胞，向人體內(nèi)遞送靶向藥物。

框架核酸可以賦予機(jī)器人一些動(dòng)態(tài)功能，而且這些功能是可控的。“DNA機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)很多功能，比如DNA行走、識(shí)別、結(jié)構(gòu)開(kāi)合等，這些技術(shù)都是通過(guò)DNA的序列設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而序列設(shè)計(jì)是基于DNA鏈和鏈之間的識(shí)別來(lái)控制配對(duì)。”齊浩舉例說(shuō)，比如DNA機(jī)器人行走，就是根據(jù)核苷酸的堿基互補(bǔ)配對(duì)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(gè)原理，設(shè)計(jì)特殊序列的DNA“樁”，這些DNA“樁”就像是DNA機(jī)器人前進(jìn)路上用來(lái)踩踏的磚頭。當(dāng)機(jī)器人一只腳踏上正確的“樁”時(shí)腿部會(huì)快速進(jìn)行堿基配對(duì)，另一只腳隨機(jī)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(shí)很多高分子材料都能做出動(dòng)態(tài)功能，比如溫度、硬度變化，材料也能‘動(dòng)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化。但之所以DNA用來(lái)做機(jī)器人引起這么多關(guān)注，是因?yàn)镈NA折紙可以在這么小的尺度折出更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使得DNA機(jī)器人的可控精度、靈敏度更高。”齊浩介紹，目前DNA序列設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展很快，出現(xiàn)了很多軟件，可以精準(zhǔn)設(shè)計(jì)出DNA鏈和鏈之間相互識(shí)別、作用的序列。

能與更多物質(zhì)結(jié)合實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜功能

“最開(kāi)始研究DNA折紙，主要是通過(guò)DNA折紙和組裝，做出一個(gè)結(jié)構(gòu)，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。現(xiàn)在越來(lái)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(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。”齊浩舉例說(shuō)，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(zhǔn)控制。相當(dāng)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(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的分子功能。

“這種通過(guò)DNA折紙，折出高精準(zhǔn)度的核酸框架，而后再把具有不同功能的生物分子精準(zhǔn)固定在框架上，從而實(shí)現(xiàn)各種生物功能，是DNA機(jī)器人未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)。”齊浩說(shuō)，但這些生物分子固化之后，生物功能怎么去設(shè)計(jì)，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(wèn)題。

目前，DNA機(jī)器人的效率也需要提高。 比如來(lái)自美國(guó)加州理工學(xué)院的錢璐璐教授研究出的一種可移動(dòng)DNA機(jī)器人，它邁出一步需要5分鐘，一步只能移動(dòng)6納米，單個(gè)機(jī)器人用了接近一天的時(shí)間才將6個(gè)不同的“貨物”運(yùn)送到指定位置。

“與低效率同時(shí)存在的是高成本，每一個(gè)DNA機(jī)器人的加工成本都很高，如果需要大批量使用成本會(huì)更高。”齊浩解釋，這是因?yàn)椋热鐖?zhí)行一個(gè)任務(wù)需要100個(gè)DNA機(jī)器人，目前做不到能精準(zhǔn)控制每一個(gè)DNA機(jī)器人去執(zhí)行命令，如果有幾個(gè)機(jī)器人“開(kāi)小差”，完成任務(wù)的效率就更低了，付出的成本就會(huì)相應(yīng)增加。

可成為智能升級(jí)版靶向藥載體

“DNA機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域，更多的會(huì)用來(lái)為某些腫瘤或癌癥患者遞送靶向藥，或是制造納米級(jí)設(shè)備元件，成為精準(zhǔn)醫(yī)療的加速器。”齊浩進(jìn)一步解釋，之前都是把藥物做成小分子，在人體內(nèi)漫無(wú)目的地?cái)U(kuò)散到各個(gè)部位。后來(lái)出現(xiàn)了靶向藥，就是在藥物上增加識(shí)別病灶的分子靶點(diǎn)。而用DNA機(jī)器人可以制作智能升級(jí)版靶向藥。

齊浩強(qiáng)調(diào)，DNA機(jī)器人本身并不治病，它只是一個(gè)載體，可以攜帶藥物精準(zhǔn)到達(dá)病灶或者病灶周邊，進(jìn)行操作精準(zhǔn)給藥，以增加現(xiàn)有藥物的效力。

而且除了帶貨、識(shí)別、運(yùn)輸、卸載藥物，DNA機(jī)器人還可以被裝載上更多的“邏輯門”，以實(shí)現(xiàn)更多的功能和操控。齊浩舉例說(shuō)，研究人員曾制作過(guò)一個(gè)DNA機(jī)器人盒子，盒子里可攜帶治療腫瘤的藥物，通過(guò)設(shè)計(jì)識(shí)別功能，“盒子機(jī)器人”可準(zhǔn)確找到腫瘤細(xì)胞，并且通過(guò)識(shí)別預(yù)先設(shè)計(jì)好的分子信號(hào)，打開(kāi)盒子門。這個(gè)開(kāi)門的操作就可以設(shè)計(jì)“和”或者“或”的邏輯門，滿足兩個(gè)條件打開(kāi)門或者滿足兩個(gè)條件中的一個(gè)就開(kāi)門。

DNA機(jī)器人，能在納米尺度完成這么多復(fù)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(jī)器人甚至可以完成定位，操作一臺(tái)小型手術(shù)。不過(guò)與大多數(shù)新生事物相同，DNA機(jī)器人應(yīng)用于醫(yī)療，還有很多關(guān)鍵的問(wèn)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(jī)器人進(jìn)入人體細(xì)胞進(jìn)行治療，就相當(dāng)于外源DNA進(jìn)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(duì)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(jī)器人的構(gòu)建層面進(jìn)行研究，它的功能還沒(méi)那么強(qiáng)大。未來(lái)DNA機(jī)器人的技術(shù)一旦成熟并進(jìn)入到應(yīng)用層面，生物的穩(wěn)定性和安全性等問(wèn)題就會(huì)凸顯出來(lái)。”齊浩表示。