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纳米“蜘蛛侠”:我还在咿呀学步

发布时间:2010-11-01 | 【打印】 【关闭】

纳米“蜘蛛侠”正沿着DNA轨道向远处的目标走去

在美国纽约市一个嘈杂的化学实验室内,一只细长的蜘蛛正在烧杯底部翻越一堆折纸。这些折纸可不是什么由普通彩纸折成的实物,而是经过精心设计的DNA片段。这只蜘蛛也不是设计用来织网或是捕捉飞虫的。其实,它是一种DNA纳米机器人的雏形,未来某一天有可能为人类执行那些由于太小而无法完成的任务。

十数年来,科学家们一直在开发DNA纳米机器,从微镊到可以向左右跨步的双腿“步行者”,不一而足。最近的分子机器人研究又向前迈进了一步,可让DNA分子进行自我组装并移动,而且这一切都将在没有电池或信息存储在其纳米体内的情况下实现。这些机器将利用已编程入折纸中的天然DNA—DNA的相互作用力。

美国哈佛大学生物化学家施威廉表示,就像人们已经看到的,电子学已从计算器发展到iPhone 4,在对分子行为进行编程方面也正在发生着类似的爆炸式进展,这些进展最终会演变成更为复杂精致的工具,这些工具将能感知周围环境,并在不伤害健康细胞的情况下将病变组织作为靶标。

最新的纳米机器蜘蛛已做到有3条到4条腿,并能穿越折叠精美的DNA广场。这些分子机器人中,有的完全依靠自己就能走上50步,其他的则能扭动臂膀进行运动,以获取和随身携运纳米粒子。

不过,你也别担心,这些DNA蜘蛛侠不会很快就来接管我们的现实世界。此时此刻,它们更像是一个正在蹒跚学步的孩子,试探着感受它们穿越分子疆土的方式。随着研究人员逐步揭开使这些纳米爬虫进行移动的基本原理,终有一天,这些纳米机器人或许就能处理那些因为太小而连最先进的实验室仪器都无法完成的任务。DNA蜘蛛或许能够寻找和摧毁人体癌症、组装纳米尺寸的医疗器械,并构建出比字母“i”上的圆点还要小得多的微型计算机。

学走步得先铺路

要让DNA自己发生移动可不是件容易的事。一般情况下,DNA在细胞中以扭曲的双螺旋形式存在。它极其稳定和不易反应,只在被复制形成蛋白质等其他分子或是复制自身时才会解开螺旋体。

但近年来,科学家们已经了解了如何使用DNA的自身编码来启动它。DNA链具有4个基本的化学组成部分,简写为A、T、G和C。在常规的DNA中,这4个字母可组合出形成蛋白的编码。在DNA蜘蛛中,这些字母则是推动其前行的基础。

纳米机器蜘蛛的每一条腿是由带有专门设计的字母序列的一个单链DNA制成的。正如常规的DNA,一个链中的“A”的形状正好与另一个链中的“T”相配,“C”则和“G”相配。通过绑定到合适的伙伴字母,这些蜘蛛的腿部就能黏住附近的DNA单链。

DNA折纸是美国加州理工学院合成分子生物学家保罗·罗斯蒙德于2006年发明的。他将单链DNA来回折叠,直到它们变成复杂的二维形状:纳米尺寸的三角形、星星和笑脸。然后,他设计更小的“短链”与邻近的DNA折纸相匹配,以在合适的位置抓住这些形状。只要将这些单链片段混在溶液中,这些形态各异的DNA就能进行自我组装。

罗斯蒙德的自组装DNA折纸为DNA蜘蛛形成了一条理想的行走轨道,并提供了一个较大的二维表面,科学家们可在其中对蜘蛛的行动进行指令编程。这样,蜘蛛就没有必要再随身携带任何信息。

在折纸中,精选的短丝链将被拉长为特殊的DNA积木,以形成蜘蛛的爬行轨道。这些单链给平坦的表面增添了一个第三维度,像海床上的海藻那样向上黏附在折纸上。由于它们的DNA字母序列和蜘蛛腿上的相匹配,这些短丝链就能把蜘蛛固定在表面,从而开辟出一条供蜘蛛行走的路径。

这部分工作相对容易,而棘手的部分则是让纳米机器人抬腿,并迈向下一个链。

“过河拆桥”为向前

其中的一个解决方法是,使用蜘蛛腿中的DNA酶来剪断这个短丝链。被毁坏了的链会将蜘蛛腿连根拔起,允许它移向仍完好无损的下一个链。

美国哥伦比亚大学化学家米兰·斯托亚诺维奇就使用此种剪切方法完成了他的能自行行走的三腿DNA蜘蛛。他和同事在5月13日的《自然》杂志上报告说,它们可脱离轨道无障碍地行走50步以上。

在过去,两腿蜘蛛一直存在的问题是,有时会同时抬起双腿,这样一旦脱离了轨道便会漂浮起来。而三腿蜘蛛则有更多的机会让其在任何时候都能保持一条腿在路面上。斯托亚诺维奇表示,蜘蛛的腿越多,其黏性也越大,行走的步数也越多。

斯托亚诺维奇的蜘蛛有一个额外的附件,可像锚一样只与折纸上的“起始”链进行绑定。当研究人员添加一个可拔除蜘蛛锚的DNA片段时,蜘蛛就开始沿着轨道上的其他链爬动。

因为蜘蛛在行走时已被剪切了链,其身后的DNA轨道便会消失殆尽。因此,蜘蛛最大的可能就是向前走,而不是往回走。沿着65纳米至90纳米折纸区域内陈设的轨道,蜘蛛便可以不借助外力直行、拐弯。经过约30分钟,蜘蛛到达腿部的酶未被剪切的“终止”链。任务终告完成。

斯托亚诺维奇说,他的下一个目标将是增加蜘蛛的步行数目,在折纸中编排更复杂的动作。他还希望设计出可互联在一起的蜘蛛,以合作完成一项任务,甚至让蜘蛛也可以像蚂蚁等昆虫那样能够“读懂”彼此的路径。未来某一天,这些蜘蛛也许能围着细胞膜进行爬动,识别疾病细胞并帮助摧毁它们。不过,“这还只是一个梦,不是不久的将来就能实现的事情”。

为了让这个梦想成为现实,这些爬虫必须甩掉它们的人造DNA轨道,能穿越像细胞表面那样更加自然的景观。但由于细胞膜并不能掩在DNA内,蜘蛛将被设计成能与一个不同的分子相互作用,这个分子或许是科学家插入细胞内的一个媒介蛋白。

“这是一个缓慢的过程,”斯托亚诺维奇说,“如果你想看到这样的事情发生,你就必须要经过我们正在经历的阶段。”

也能学走回头路

一个剪掉了身后轨道的自主蜘蛛存在的问题是,折纸在蜘蛛跑过一次后便无法再用了。“如果你的汽车走到哪,就把路毁到哪,你就不得不重新筑路,这将耗费掉大量的能量。”英国牛津大学物理学家安德鲁·图尔波菲尔德说,“一辆边开边毁路的汽车是永远得不到欢迎的。”

图尔波菲尔德目前正在研究既能让蜘蛛移动又不会摧毁移动轨道的方式。他的研究小组已经提出了一个想法,那就是使一个双足机器蜘蛛以体操运动员的滚翻动作沿着一个可重复使用的DNA链前行。

一个添加到周围溶液中的“燃料”链可抬起机器蜘蛛的后腿,于是,蜘蛛便可翻转过来,在轨道上向前迈进。它还可以简单地通过切换到能与前腿反应的“燃料”链而实现后退。

这种纳米机器人的灵感来自于驱动蛋白,驱动蛋白是一种天然分子马达,其能围绕细胞运送“货物”。驱动蛋白的两条腿非常协调,始终是先抬后脚向前迈进。

“我们正在寻找什么细胞能与分子马达相配合,并试图仿效这个细胞。”图尔波菲尔德说,“如果你从生物学中得到了灵感,那么你就出不了大错。”

我是小小搬运工

纳米技术世界中新出现的另一种DNA蜘蛛玩的可不止是步行,它可用它的三条DNA胳膊举起货物。

DNA纳米技术先驱、纽约大学奈德·塞曼领导的一个研究小组已设计出了一个4条腿、3条胳膊的蜘蛛,它能沿着折纸轨道从“站台”拾取金纳米粒子。蜘蛛本身不能行走,而是需要科学家在其行走每一步时将短的DNA单链添加到周围溶液中,哄诱其向前迈步。

研究人员在折纸中嵌入了3个“站台”,每个站台都有一个包裹在DNA单链(和蜘蛛胳膊中的DNA相互补充)中的金纳米粒子。当蜘蛛停靠在一个站台时,其一条DNA胳膊就和这条DNA“皮带”相束缚,抓住纳米粒子并将其脱离折纸。然后,蜘蛛从该站台离开,它携带着新货物到达下一站台,在那里它将捡起另一个粒子。

塞曼将这些蜘蛛比作是沿着汽车装配线流动的汽车底盘。也是在5月13日的《自然》杂志上,塞曼这样说:“添加到蜘蛛中的附件,就像是给汽车底盘加上门、轮子或发动机。”

经过另外两次停靠后,蜘蛛的手臂上可能已有了多达3个粒子,但也可能只是一个或两个。这是因为站台可被编程设计为或放弃货物,或保留货物。使用相同的轨道,蜘蛛也许可捡获不同的纳米粒子组合。

塞曼说,在未来,一个单一的装配线或许就能在3个以上的厂房内运转。如此长的装配线能建立更复杂的对象。他还计划使这些蜘蛛自主运行,这样就无需科学家再为其每一步动作添加新的DNA链。

最终,他想尝试组装出能结合成复合物的分子,而不必还得依靠DNA才能结合。他认为,纳米机器蜘蛛可在每个站台捡获单个分子,而这些分子能相互结合。一次就把分子攒到一块,纳米蜘蛛就可把那些在自然界中无法进行有效反应的分子拼图块拼接在一起,这对化学家来说是极大的帮助。

“爬”向未来新应用

研究人员承认,DNA蜘蛛现在还不能做任何有用的事情,对于这些纳米蜘蛛未来到底能做什么用,大多数科学家都不愿意设想得太远。

“要给这个比人体小十亿倍、能运动的家伙描绘一幅画,是十分有吸引力的。”加州理工学院生物工程师奈尔斯·皮尔斯说,“但要获取这种运动,并把它用于制造纳米元件,这仍然是一个远期的目标。”

皮尔斯说,不过,工程师们应该继续用这些纳米机器开展实验,以便为纳米机器人领域的新发现铺平道路。“沿着此种路径汲取的知识,将来也会在其他方面产生效益。”

沿着这条道路继续向前,希望依然是存在的。成群的DNA蜘蛛或可部署在人体内用以寻找癌症或疾病的蛛丝马迹。这些蜘蛛将互相通风报信,告知在哪里发现了出问题的身体组织,然后同心协力,一起向目标抛洒药物炸弹。这些针对性极强的抗病“导弹”可避免普通药物在体内渗透时产生的副作用,也不会影响到其他身体组织。

同样,这些带有多条手臂的DNA蜘蛛也许会掠过折纸装配线工厂,一个一个地抓取粒子,并按照严格的次序进行装配;纳米蜘蛛还能建造出纳米尺寸的计算机芯片,在越来越小的空间里容纳更多的内存,拥有更强大的功能和更快的速度;或是对纳米粒子进行新的配置以为隐形装置制作出新的超材料。

“我们的目标之一就是制作出像活细胞一样复杂的DNA和蛋白质系统,”罗斯蒙德说:“但要达成这一目标,我们将不得不制作出数百倍甚至千倍复杂的DNA纳米技术系统。”“从事DNA修复研究的实验室数目每年都在增加,因为科学家们都已经意识到了他们或可大加利用DNA的潜力。”