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    分 享 至 手 機(jī)

    未來(lái)給你做手術(shù)的也許是DNA納米機(jī)器人

    時(shí)間:2020-12-09 09:05:46|來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)|點(diǎn)擊量:29633

    未來(lái)給你做手術(shù)的也許是DNA納米機(jī)器人

    目前在很多領(lǐng)域,智能機(jī)器人已經(jīng)可以幫人類(lèi)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(zhuān)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(lèi)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(chēng)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(chēng)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?,F(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(qián)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?zhuān)@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?zhuān)岸际前阉幬镒龀尚》肿?,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(mén)”,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(mén)。這個(gè)開(kāi)門(mén)的操作就可以設(shè)計(jì)“和”或者“或”的邏輯門(mén),滿(mǎn)足兩個(gè)條件打開(kāi)門(mén)或者滿(mǎn)足兩個(gè)條件中的一個(gè)就開(kāi)門(mén)。

    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(zhuān)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(lèi)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(lèi)DNA相互作用、整合到人類(lèi)基因組的情況,對(duì)人類(lèi)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。(記者 陳曦)

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