DNA在行走

呂 靜

深藏在紐約城中，一個繁忙的化學(xué)實驗室里，一只紡錘形的蜘蛛爬過一堆折紙。這些折紙可不是用普通彩紙折出的藝術(shù)品，它們由精心設(shè)計的DNA片段所制成。說到這里，就要解釋一下“納米蜘蛛”了。

這種蜘蛛不是用來織網(wǎng)或吃蟲的，它是DNA納米機(jī)器人的原型，也許某一天這種機(jī)器能完成人類所不能完成的細(xì)微任務(wù)。

十年以來，納米機(jī)器人已從細(xì)小的鑷子型機(jī)器發(fā)展到用兩條“腿”向左或右邁步的“行走者”?？茖W(xué)家們一直在研制DNA納米機(jī)器人，最近的研究更前進(jìn)了一步，其目標(biāo)是將DNA分子自己組織起來移動，在這些納米機(jī)器中既沒有電池，也沒有信息存儲設(shè)備，它們利用的是天然DNA與DNA之間相互作用的動力，DNA可以被設(shè)計成折紙基礎(chǔ)。

哈佛大學(xué)的生物化學(xué)家威廉·施（William Shih ）說，“現(xiàn)在，分子行為設(shè)計正在出現(xiàn)爆炸性發(fā)展。正像電器已從計算機(jī)進(jìn)化到iPhone4一樣，我們也將看到這些東西進(jìn)化成可以感知其周圍環(huán)境，不會傷害健康細(xì)胞，并能瞄準(zhǔn)疾病組織的精密微型車?！?/p>

最新的蜘蛛納米機(jī)器人有三條到四條腿，它們沿著寬闊、精致折疊的DNA道路行走。某些分子機(jī)械人已經(jīng)能自行走出50步，還有的微型運動機(jī)械臂能拾起或攜帶納米粒子。

當(dāng)然，眼下的DNA蜘蛛還不能很快統(tǒng)治世界，在這一點上，它們很像蹣跚學(xué)步的幼兒，在研究人員設(shè)計出讓其行走的基礎(chǔ)時，它們正實驗性地在其分子疆界上摸索前進(jìn)。但是某一天，納米機(jī)器人軍團(tuán)可能會在最精密的實驗室設(shè)備都無法勝任的很小尺度上作業(yè)?！爸┲搿笨赡軙ふ也⒋輾梭w內(nèi)的癌癥，甚至還可能會組裝醫(yī)學(xué)器械，或組建比你iPhone上字母“i”的小點兒還要小很多的微型計算機(jī)。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的化學(xué)家勞埃德·史密斯（Lloyd Smith）說：“我們正在推進(jìn)可能將DNA作為一種工作材料的技術(shù)系統(tǒng)，因為比起任何其他材料，我們更能理解、控制和指揮DNA?！?/p>

內(nèi)置編程

要讓DNA自行移動并非易事。一般情況下，細(xì)胞中DNA是以雙螺旋的形式存在于細(xì)胞之中的，這是所有生命材料的藍(lán)圖。它很穩(wěn)定，化學(xué)性質(zhì)不活潑，只有在制造其他分子，如蛋白質(zhì)或自我復(fù)制時雙螺旋才會解開。

但是近年來，科學(xué)家已經(jīng)知道到如何利用DNA自己的密碼來讓它行動起來。

DNA的鏈?zhǔn)怯伤姆N化學(xué)構(gòu)件——堿基組成的，分別簡寫為A、T、G和C（A腺嘌呤、T胸腺嘧啶、G鳥嘌呤、C胞嘧啶）。在常規(guī)的DNA鏈中，這四種字母拼寫的編碼是用來組建蛋白質(zhì)的，而在納米蜘蛛，這些字母是其推進(jìn)力的基礎(chǔ)。

每一條蜘蛛腿都由專門設(shè)計堿基序列的單鏈DNA所組成，正像常規(guī)DNA一樣，一個鏈上的A剛好與另一個鏈上的T形狀相配，C和G剛好配對，通過一個個與正確的配對結(jié)合，納米機(jī)器人的腿就可粘到附近的單鏈DNA上。

現(xiàn)在就說到了DNA折紙表面。這一技術(shù)是2006年由加州理工學(xué)院的合成分子生物學(xué)家保羅·羅斯蒙德（Paul Rothemund）發(fā)明的。他將單鏈DNA來回折疊，直到它們充滿到復(fù)雜的納米三角形、星星和笑臉的二維形狀中。然后，他又設(shè)計了更小的“短鏈”，這種短鏈能與附近的DNA配對折疊連接，并在適當(dāng)位置組成形狀，只需將單鏈的DNA片段在溶液中混合就可以讓其自行組裝成各種形狀。

羅斯蒙德的自組裝DNA折紙技術(shù)產(chǎn)生了一個DNA蜘蛛的理想行走軌道，這使得科學(xué)家可以在一個更大的、2D表面對納米蜘蛛的運動編輯指令。這樣一來，蜘蛛便無需隨身攜帶任何信息。

在DNA折紙上，選擇短鏈再用額外的DNA積木延長就形成了蜘蛛的爬行軌道。這些單鏈還可以用來在平面上添加第三個維度，就像海底的海草一樣，可從折紙向上粘。由于DNA堿基序列與蜘蛛腿上的堿基配對結(jié)合，短鏈就將蜘蛛拉到了表面，形成了一條行走的路徑。

這一部分并不困難，難的是將納米機(jī)器人的一條腿抬起來向前邁到下一個DNA鏈上。

小路漫步

一個解決辦法是使用蜘蛛腿上的DNA酶來切開短鏈，打開鏈并將腿拔出，使得納米機(jī)器人得以移動到附近一個依然完好的鏈上。

哥倫比亞大學(xué)的化學(xué)家米蘭·史杜真奴維克（Milan Stojanovic）利用這種切割技術(shù)獲得了能夠自我行走的三條腿DNA蜘蛛。它們能夠向上走50步，而且不會在軌道上絆倒。他和同事在2010年5月13日的《自然》雜志上報道了其研究成果。

過去的一個問題是，兩條腿的納米機(jī)器人行走中有時候會同時提起兩條腿，這樣就會飄離到軌道之外。而三條腿的蜘蛛則獲得了更好的機(jī)會，它們至少有一條腿一直處在軌道表面。史杜真奴維克說：“蜘蛛的腿越多，粘性越好，它們能走的步也就越多。”

這種蜘蛛有一個作用像錨的額外附肢，能夠只與折紙上的“啟始”鏈結(jié)合。當(dāng)研究人員加入一個DNA片段，就移開了蜘蛛的這個錨，于是蜘蛛開始沿著軌道上的其他鏈爬行。

由于蜘蛛一邊爬行一邊切斷DNA鏈，它身后的DNA軌道都是它用過的，因此，這個蜘蛛更容易向前走，而不是往后退。沿著鋪設(shè)在65×90納米DNA折紙“原野”的軌道，蜘蛛可以走直線或轉(zhuǎn)彎，無需外界幫助就可以沿著路徑自己走。大約30分鐘之后，蜘蛛到達(dá)“終止”鏈，這是蜘蛛腳上的酶所不能切割的鏈，這時任務(wù)完成。

史杜真奴維克說，他的下一個目標(biāo)是增加蜘蛛所能行走的步數(shù)，并在折紙上設(shè)計更為復(fù)雜的動作。他還想設(shè)計出能夠幾個聯(lián)合在一起合作完成一項任務(wù)的蜘蛛。他說，就像螞蟻或其他社會性昆蟲一樣，這些蜘蛛也可能讀出彼此的行動軌跡。

在遙遠(yuǎn)未來的某一天，這些蜘蛛可能會爬到細(xì)胞膜周圍，識別出病變細(xì)胞并幫我們將其一舉殲滅。

史杜真奴維克說：“這只是個夢想，并非即將來臨的事?！?/p>

要讓夢想變成現(xiàn)實，就需要讓爬行者脫離人工的DNA軌道，能穿越更為自然的形狀，比如細(xì)胞表面。但是，由于細(xì)胞膜上并沒有覆蓋DNA，所以需要將蜘蛛設(shè)計成可與一種不同分子相互作用的形式，科學(xué)家也可能將一種中間蛋白插入細(xì)胞。

“這將是一個緩慢的過程?！?史杜真奴維克說。

毀掉橋梁

一個自主蜘蛛的難題是其身后的軌道被切斷了，所以折紙在走過一次后就不能再用了。英國牛津大學(xué)的安德魯·特伯菲爾德（Andrew Turberfield）說：“如果微機(jī)械常常摧毀軌道，那你就要重建軌道，這將耗費巨大的能量，一輛毀壞身后道路的車子總有點不得人心。”

特伯菲爾德正在研究行走機(jī)器人自我運行但不摧毀其軌道的方法。他的小組已研制出兩條腿的步行機(jī)器人，能沿著一條自己翻出的、可以再使用的DNA鏈行走，它的樣子就像一個在墊上做前手翻騰躍的體操運動員。

將一段“燃料”鏈添加到周圍溶液中提起行走機(jī)器人的后腳，機(jī)器人便會翻轉(zhuǎn)過去，在軌道上向前移動一步。要讓這種機(jī)器人向后走，只需變換一個燃料鏈，使其和機(jī)器人的前腳發(fā)生反應(yīng)。

特伯菲爾德說，這種類型納米機(jī)器人的靈感來自驅(qū)動蛋白，這是一種在細(xì)胞周圍能夠攜帶貨物的天然分子馬達(dá)。驅(qū)動蛋白的“兩腳”是協(xié)調(diào)的，所以后腳始終是那只先抬起來向前邁步的。

“我們正在尋找什么細(xì)胞有這種馬達(dá)，并試圖模仿這種細(xì)胞?！碧夭茽柕抡f：“如果你從生物學(xué)上找靈感，那就不會出太大的錯?！?/p>

納米生產(chǎn)線

另外一種新型DNA蜘蛛不僅能走路，也能用其三個DNA臂拿起“貨物”。

DNA納米技術(shù)的先鋒人物，紐約大學(xué)的奈德·塞曼（Ned Seeman）所領(lǐng)導(dǎo)的一個小組設(shè)計了一種四條腿、三個臂的蜘蛛，能夠沿著折紙軌道從站臺上拾起金納米粒子。這種蜘蛛不能自行走路，它每邁出一步，都需要科學(xué)家向周圍溶液中添加短的DNA單鏈，誘使它的腳向前。

研究人員在DNA折紙中嵌入了三個站臺。每個站臺都放著用一個DNA單鏈包裹的金納米粒子，站臺上的DNA單鏈與納米蜘蛛臂的DNA互補(bǔ)。

當(dāng)蜘蛛停在站臺的時候，它的一個DNA臂會與這條DNA皮帶結(jié)合，抓住納米粒子并將其從納米折紙上扯下來。當(dāng)蜘蛛離開站臺時，它就帶著新貨物去到下一站，在那里，它會取下另一個納米粒子。

塞曼比較了納米蜘蛛和沿生產(chǎn)線移動的汽車底盤。

他說：給蜘蛛添加配件“就像你給汽車底盤加上門、方向盤和發(fā)動機(jī)”一樣，他的研究結(jié)果也發(fā)表在《自然》雜志上。

在經(jīng)過了2次以上的停站后，蜘蛛的臂上可能最多拿到3個納米粒子，但也可能只拿到了一個或兩個。這是因為這些站臺可能被設(shè)計為放棄或保留貨物。利用相同的軌道，蜘蛛就可以拿到不同的納米粒子組合。

塞曼說：“未來，一個單一生產(chǎn)線可能可以完成多達(dá)三塊積木的工作。像這樣更長的生產(chǎn)線就能組裝更復(fù)雜的物體。他還計劃讓這種蜘蛛機(jī)器人自動，這樣就可以讓它們自行作業(yè)而無需科學(xué)家在它們每走一步時都添加新的DNA鏈?！?/p>

最后，他還想試圖組裝出能夠結(jié)合成復(fù)雜化合物而不是最終都必須與DNA結(jié)合的分子。

他認(rèn)為，蜘蛛能在每個站臺拿起可以彼此結(jié)合的單個分子，通過在同一時間將分子放在一起，蜘蛛就能將在自然情況下不能很好反應(yīng)的分子拼圖塊拼在一起。他認(rèn)為這可能對化學(xué)家有所幫助。

塞曼說：“實際上，我們現(xiàn)在所做的所有化學(xué)就是將一堆東西都丟進(jìn)鍋里，攪動它們使之互相碰撞，在原則上我們應(yīng)該可以使反應(yīng)更容易些?！?/p>

爬向未來

研究人員也承認(rèn)，目前的DNA蜘蛛還不能做任何有用的事情，而且大多數(shù)科學(xué)家都不愿意計劃太遠(yuǎn)，并聯(lián)想未來這些納米機(jī)器人最終能做些什么。

一直從事DNA行走機(jī)器人研究的加州理工的生物工程師奈爾·皮爾斯（Niles Pierce）說：“能夠勾畫出比人類小10億倍會走路的東西是很有吸引力的，但要讓這種東西動起來，并讓納米尺度的原件裝配出來投產(chǎn)使用，還是未來的目標(biāo)?！?/p>

在經(jīng)過數(shù)十年的研究后，人們還希望，有一天可以在人體內(nèi)放置成群的DNA蜘蛛，讓它們搜索并揭示癌癥或疾病的蛛絲馬跡，這些蜘蛛會相互通報在哪里發(fā)現(xiàn)了疾病組織，并能協(xié)同工作，用藥囊轟炸靶標(biāo)。這種靶向抗病炮彈可以避免一般藥物滲入人體后影響其他組織而造成的副作用。

同樣，從折紙生產(chǎn)線工廠生產(chǎn)的多臂DNA爬行者，可能會一個個抓住納米粒子，將其裝配到精確位置。納米蜘蛛可能會組建出納米尺寸的計算機(jī)芯片，它將可以容納更多內(nèi)存，還可以在更微小的空間中供能和加速?；蚩梢詫⒓{米粒子安置到新的配置中，形成可用于隱形裝置的新型超材料。

羅斯蒙德說：“我們的一個目標(biāo)就是使DNA和蛋白質(zhì)系統(tǒng)像活細(xì)胞一樣復(fù)雜，但要達(dá)到這一目標(biāo)，就需要將DNA納米技術(shù)系統(tǒng)更復(fù)雜上百倍、上千倍?！薄?/p>