?用DNA分子造個機(jī)器人？智能DNA分子納米機(jī)器人不僅能送藥還能“殺敵”！
文章來源：賢集網(wǎng)發(fā)布日期：2022-06-29瀏覽次數(shù)：94 智能DNA分子納米機(jī)器人模型以短的單鏈DNA為骨架，長度通常為100個左右的核苷酸，通過自身折疊形成納米尺度的結(jié)構(gòu)。在試管液體環(huán)境下，智能DNA分子納米機(jī)器人會自動識別目標(biāo)生物分子，然后迅速集結(jié)展開“圍攻”，實現(xiàn)對目標(biāo)生物分子的捕獲和信號放大，有助于研究人員對其快速追蹤。無論是生化分析還是疾病診斷，快速準(zhǔn)確檢測到目標(biāo)生物分子已成為“剛需”。DNA作為傳統(tǒng)的遺傳物質(zhì)，正以新興納米材料的身份成為生物分析工具的“新寵”。近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院楊良保研究員課題組與安徽大學(xué)等機(jī)構(gòu)合作，構(gòu)建出了可非線性云集“圍攻”生物靶標(biāo)分子的智能DNA分子納米機(jī)器人模型。有關(guān)論文發(fā)表于納米材料領(lǐng)域期刊《納米視野》。1、用DNA分子造個機(jī)器人早在20世紀(jì)中期，國外學(xué)者就提出了分子機(jī)器的設(shè)想，預(yù)測未來只要把納米機(jī)器人放進(jìn)人體的血液中，它們就能自動抵達(dá)病灶，進(jìn)行手術(shù)，治療疾病。然而，構(gòu)筑這樣的機(jī)器人并不容易。超分子化學(xué)領(lǐng)域經(jīng)歷50多年的發(fā)展，已經(jīng)可以制備出頗為精巧的“分子馬達(dá)”“分子算盤”“分子汽車”等人工分子機(jī)器。盡管如此，這些人工分子機(jī)器無論是其功能性還是多樣性，都難以匹敵自然界的分子機(jī)器，如蛋白質(zhì)等。作為遺傳物質(zhì)的DNA，有著令人嘆為觀止的組裝能力。20世紀(jì)80年代，國外學(xué)者提出利用DNA分子構(gòu)建各種具有納米尺度形狀和結(jié)構(gòu)的聚集體的想法，并將其發(fā)展成為一個富有活力的DNA納米技術(shù)領(lǐng)域。“這種技術(shù)將DNA分子的組裝能力發(fā)揮得淋漓盡致。結(jié)合核酸適配體、核酶、各種刺激響應(yīng)DNA基元以及DNA鏈交換反應(yīng)，人們甚至可以讓DNA納米結(jié)構(gòu)‘動’起來，并在物質(zhì)和能量的輸入下，實現(xiàn)計算、行走、搬運、整理等多種功能?！闭撐牡谝蛔髡摺不沾髮W(xué)生命科學(xué)學(xué)院教師李紹飛表示。李紹飛告訴科技日報記者，DNA納米機(jī)器人將納米尺度的DNA作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。合理設(shè)計DNA分子，可以構(gòu)筑成具有步移、結(jié)構(gòu)開合、靶標(biāo)捕獲等動態(tài)功能的DNA納米機(jī)器人，可應(yīng)用于分析化學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷和疾病治療等多個領(lǐng)域。李紹飛說，DNA納米機(jī)器人體積小、特別適用于狹窄的人體循環(huán)系統(tǒng)的藥物靶向遞送?！白孌NA納米機(jī)器人靶向遞送藥物，到達(dá)指定地點，定向治療炎癥或清除腫瘤，同時減少在正常組織或細(xì)胞的分布，是醫(yī)學(xué)納米技術(shù)的目標(biāo)之一。”李紹飛說。2、“圍攻”生物靶標(biāo)“在試管液體環(huán)境下，智能DNA分子納米機(jī)器人會自動識別目標(biāo)生物分子，然后迅速集結(jié)‘圍攻’，實現(xiàn)對目標(biāo)生物分子的捕獲和信號放大，有助于研究人員對其快速追蹤。”安徽大學(xué)教師、論文第一作者李紹飛說，就像一只蜜蜂“盯”上了目標(biāo)物，然后“召喚”其他蜜蜂不斷進(jìn)行“圍攻”，形成容易被發(fā)現(xiàn)的聚集群。李紹飛介紹，智能DNA分子納米機(jī)器人模型以短的單鏈DNA為骨架，長度通常為100個左右的核苷酸，通過自身折疊形成納米尺度的結(jié)構(gòu)設(shè)備，其形狀類似于一個發(fā)夾。智能DNA分子納米機(jī)器人模型由多功能機(jī)械臂和備選附件（藥物、信號標(biāo)簽、靶標(biāo)鉗夾等）、靶標(biāo)驗證器、智能云集路徑控制器和自組裝馬達(dá)等部件組成。每個部件都有各自的“使命”。例如，多功能機(jī)械臂可以從混合物中抓取目標(biāo)分子，然后由靶標(biāo)驗證器檢驗抓取目標(biāo)的正確性。在抓取和識別到正確的目標(biāo)分子后，機(jī)器人開始在路徑控制器的引導(dǎo)下，按照非線性的路徑方式云集，并依賴自組裝馬達(dá)驅(qū)動機(jī)器人完成云集組裝，形成大的組裝體。當(dāng)這些部件完成各自“使命”時，目標(biāo)分子充分“暴露”，只能乖乖“束手就擒”。相比目前常用的PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）檢測技術(shù)，李紹飛認(rèn)為，智能DNA分子納米機(jī)器人集結(jié)“圍攻”靶標(biāo)的信號放大策略，具有無酶、常溫和操作簡單等獨特優(yōu)勢，有利于在即時檢驗或臨床檢驗中的應(yīng)用。3、補(bǔ)齊短板方可迎來廣闊前景早在1959年，諾貝爾物理學(xué)獎得主理查德·費曼就提出了納米機(jī)器人的設(shè)想，這是藥物靶向遞送納米機(jī)器人概念的起源。20世紀(jì)90年代，納米技術(shù)的興起，不斷推動納米機(jī)器人的發(fā)展。2017年，美國科研人員在《科學(xué)》雜志上發(fā)文，介紹了一款具有分揀功能的DNA納米機(jī)器人，它可以抓住某些分子，并且將它們釋放到指定的位置上，這是DNA機(jī)器人的重要一步。2018年，我國國家納米科學(xué)中心設(shè)計出一種DNA納米折紙機(jī)器人，可攜帶藥物準(zhǔn)確尋找到癌細(xì)胞的藏身之處。“無論是國內(nèi)還是國外，對DNA納米機(jī)器人的研究仍處于初級階段，距離臨床應(yīng)用還有很長的路要走?！崩罱B飛認(rèn)為，雖然經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，DNA納米機(jī)器人作為新型藥物靶向遞送系統(tǒng)，不斷取得突破。然而，為了滿足生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的實際需求，納米機(jī)器人在生物安全性、體內(nèi)跟蹤導(dǎo)航、遞送效率、可持續(xù)地精確操控以及其他方面仍然存在諸多挑戰(zhàn)。李紹飛表示，他們研究團(tuán)隊成員分別將腫瘤細(xì)胞小分子和外泌體等作為靶標(biāo)，成功對靶標(biāo)實現(xiàn)了追蹤，初步驗證了智能DNA分子納米機(jī)器人模型的應(yīng)用性能。4、挖掘更多應(yīng)用潛能識別和捕獲目標(biāo)生物分子，以及靈敏地進(jìn)行信號放大和讀出，是發(fā)展生物分析工具的永恒追求。盡管目前已經(jīng)創(chuàng)新了方法原理，并且建立了模型，但李紹飛坦言，“考慮到DNA分子運動的復(fù)雜性和表征手段的局限性，以及生物樣品的多樣性，對模型的應(yīng)用性能探索空間還很大”。下一步，團(tuán)隊將重點優(yōu)化智能DNA分子納米機(jī)器人模型云集組裝效率，并進(jìn)一步整合優(yōu)良的信號讀出技術(shù)，挖掘其在DNA納米技術(shù)、生化分析和生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用潛能。“特別是針對當(dāng)前流行傳染性疾病，團(tuán)隊正著手探索利用智能DNA分子納米機(jī)器人模型進(jìn)行超靈敏診斷的可行性?！崩罱B飛說。 
