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(wù),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(xué)化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)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(dāng)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(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。”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(dāng)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(fù)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(fù)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?,F(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(fù)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(dāng)于把DNA折紙做成分子生物芯片,而后固定各種生物元件,以實現(xiàn)更復(fù)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(xué)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(wù)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(wù)的效率就更低了,付出的成本就會相應(yīng)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(yù)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(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(yīng)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(dāng)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(yīng)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。
標簽: DNA