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加州理工学院青年女教授钱璐璐实现天才想法:发明全自动DNA分子机器人
加州理工学院青年女教授钱璐璐实现天才想法:发明全自动DNA分子机器人
作者:Lori Dajose | 9/16/2017 3:28:16 PM | 浏览:845 | 评论:0

 

如今,对很多人来说,太脏、太累以及太危险的工作,常常可由机器人代劳。尤其是机器人广泛出现在工业领域,大大提高了工作效率和促进经济的增长。
 
然而,还有一片广阔的舞台等待着科学家和机器人一同去表演,那便是微观世界——分子机器人研究领域。人们一直希望分子机器人能够在一个人类不能触及的场合中,完成识别、分类、运输等一系列复杂任务。
加州理工学院青年女教授钱璐璐实现天才想法:发明全自动DNA分子机器人
 
最近,加州理工生物工程系教授钱璐璐研究团队,在分子机器人领域取得重大突破,相关研究发表在9月15日的《科学》杂志上。
 
他们开发出了一种全自动的分子机器,可在纳米尺度上执行任务。这些微型机器人由一个单链 DNA做成,可自动地二维表面“走来走去”,并可将某些分子“挑来捡去”,最后按照指定的位置再把它们放下。 
 
加州理工学院青年女教授钱璐璐实现天才想法:发明全自动DNA分子机器人
为什么研究者要发明纳米机器人?“这就好象机器人被送到火星等遥远的、人类不能及的地方,我们希望有一天可将分子机器人送到微小而人类不能及的地方,比如说血液里,”钱璐璐解释道,“在这项研究中,我们的目的是设计和制造一个可以在纳米世界中,执行复杂任务的分子机器人,它的任务就是对分子进行分类。”
 
分子机器人是怎么制造出来的?研究人员首先研制出了用来组装DNA机器人的三个基本模块:一条“腿”和两只“脚”用来行走,一条“胳膊”和一只“手”用来固定待运输的分子货物,以及当被运输的“货物”到达目的地后示意卸货的“信号”。这三个看似复杂的模块,各自仅由单链DNA中的若干个碱基组成。
加州理工学院青年女教授钱璐璐实现天才想法:发明全自动DNA分子机器人
基于此,他们设计、组装了一个步长仅6纳米的机器人。研究者认为,具有特定序列的单链可迫使另外由两个部分组合在一起的双链分开,每个双链和单链分开和组合的速度以及消耗的能量取决于它们的DNA序列,所以通过设计DNA的序列就可以控制DNA机器人的行动和执行每一个任务所消耗的能量。当然原则上,这些模块也可以通过不同的组装形式,制造能够执行不同任务的分子机器人。例如,一个能够同时运输多个分子货物的多臂机器人。
加州理工学院青年女教授钱璐璐实现天才想法:发明全自动DNA分子机器人
与此同时,研究人员还设计了DNA机器人的测试场地。这也是由DNA组成的平面结构,在这个平面上有上百根桩子,每个桩子是一条与机器人的腿以及其中一只脚上的碱基互补的单链。当机器人一只脚踩在桩子上时,另一只脚仍可自由活动。当随机的分子波动导致机器人自由活动的那只脚碰到附近的另一个桩子,机器人就会移步到新的桩子上去,而踩着之前的桩子的那只脚,又变成自由的了。这个过程的持续进行可使机器人的每一步行走,都往一个随机的方向行走。
 
在一个 58 纳米长、 58 纳米宽的场地上,DNA机器人大约需要一天的时间来探索整个测试场地。一路上,当机器人遇到拴在桩子上的货物分子时,就会用“手”抓住货物(分子货物连接在和手的碱基互补的单链上),然后继续行走,直到遇到放下货物的信号。这个过程虽然很慢,但一个简单的、消耗很少能量的机器人可完成这个看似复杂的任务。
 
接下来,就要测试DNA机器人如何执行任务了。机器人在一个大分子的表面上自由行走,捡起两种不同的分子(一个发出黄色荧光的小分子和一个发出粉色荧光的小分子),然后把它们运输到大分子表面上两个不同的地方。用荧光分子作为货物是为了便于观测它们是否被DNA机器人送到了指定的地点。原则上,任何可用生物或化学方法连接到单链 DNA 上的分子都可作为这个机器人运输的货物。
加州理工学院青年女教授钱璐璐实现天才想法:发明全自动DNA分子机器人
 
在这项研究中,机器人成功地将六个散布在不同位置的分子,三个粉色的和三个黄色的,在 24 小时之内分别运输到了两个指定的终点。多个机器人同时在一个大分子的表面上运输货物可以比单个机器人更快地完成任务。三到五个机器人可以将完成任务的时间缩短到一个小时左右。
 
“虽然我们只演示了用 DNA 机器人来完成一个具体的任务,我们所设计的系统可以完成更加广泛的任务,比如说将十多种而不只是两种不同的分子货物分别运输到不同的地点,这些货物可以被散布在大分子表面任意的地方”,这项研究的第一作者Anupama Thubagere说,“而且每个大分子表面可以有不同数量的机器人去完成难度不同的任务,这些任务可以被并行执行”。
加州理工学院青年女教授钱璐璐实现天才想法:发明全自动DNA分子机器人
加州理工学院青年女教授钱璐璐实现天才想法:发明全自动DNA分子机器人
当被问及DNA机器人未来的应用时,钱璐璐回复道,“我们并不是为了某些特定的应用而研制DNA机器人,我的实验室工作侧重于理解工程学原理,然后再开发出通用的DNA机器人。当然,我希望其他的研究人员可将这些原理运用到广泛的应用中。例如,用DNA机器人在人造的分子工厂中来组装化学药物,或者在探测到特定的疾病信号时,将药物分子运输到血液中或者细胞中指定的地方。尽管很多潜在的应用目前还只是科幻,但也许将来有一天DNA机器人还可以将垃圾的分子成分分类回收”。
 
参考资料
Thubagere AJ, Qian LL et al. A cargo-sorting DNA robot. Science. 20
 
 
相关讯息:加州理工学院钱璐璐教授实验室开发出能整理回收分子的DNA“机器人”
(林小春)

想象一下有个机器人在家里走来走去,整理各种物品……虽然这种机器人还只存在于科幻小说里,但美国科学家已开发出一种全自动的DNA(脱氧核糖核酸)“机器人”,能在纳米尺度上执行类似任务。

这项成果由加州理工学院钱璐璐教授的实验室完成,14日发表在美国《科学》杂志上。“这是DNA机器人迈出的一小步,却是人类迈出的一大步,”《科学》杂志在简介中说。

研究人员解释说,最新开发的“机器人”由一个单链DNA做成,它能自动地在一个纳米尺度的二维表面“走来走去”,将某些分子“捡起来”,然后放到指定位置。

“就好像电子机械机器人被送到火星等太遥远而人类不能及的地方,我们希望有一天可将DNA机器人送到血液等太微小而人类不能及的地方,”钱璐璐说。

研究人员首先组装出DNA“机器人”的三个基本模块:一条“腿”和两只“脚”用来行走,一条“胳膊”和一只“手”用来拿“货物”分子,以及一个在抵达指定地点后示意放下“货物”的“信号”。

每个模块仅由单链DNA中的几个碱基组成。原理上,这些模块可通过不同的方式组装出能执行不同任务的“机器人”。例如,一个多手臂“机器人”可同时运输多个分子货物。

研究人员还设计出一个长宽各58纳米的测试场地,这也是一个由DNA构成的平面结构,测试场上有上百个由单链DNA做成的“桩子”。行走时,“机器人”一只脚“踩”桩,另一只脚自由活动。路上遇到拴在“桩子”上的“货物”分子,就会用“手”抓住带走,直到抵达目的地才放下。

这些“小家伙”迈出一步需要5分钟,一步能移动6纳米。“这个过程虽然很慢,但是一个消耗很少能量的简单机器人就能完成这个看似复杂的任务,”钱璐璐说。

在测试中,“机器人”成功将6个散布在不同位置的分子在24小时内分别运输到两个指定位置。

钱璐璐表示,这种技术将来有望用来在人造分子工厂中组装化学药物、把药物运输到血液中或者细胞中的指定地点,甚至也许能将无用的垃圾分子成分分类回收。

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