藥明康德/報導
今日，頂尖學術期刊《科學》刊登了一篇來自加州理工學院（Caltech）生物工程系錢璐璐教授課題組的重量級論文。研究人員們表明，他們能夠對DNA進行「編程」，控制DNA「走」到特定區域，「撿起」特定的分子，並把它們搬運到另一個地方。
▲本研究的主要負責人錢璐璐教授（圖片來源：加州理工學院）
「就像我們能把機器人送往火星一樣，我們也能將機器人送到人去不了的微觀世界，」 錢璐璐教授說：「我們的目標是打造一款分子機器人，執行『分揀』這樣的複雜納米任務。」
為了成功打造一款DNA機器人，研究人員先行開發了三大組成元件：第一個元件是帶有兩隻「腳」的「腿」，它能讓DNA「行走」；第二個元件是能撿起特定分子的「手」；最後一個元件是識別信號，告訴「手」放下分子的「腦袋」。
組成這些元件的，僅僅是一根單鏈DNA上的幾個核苷酸！
▲幾個核苷酸，組成了DNA機器人的重要元件（圖片來源：《科學》）
想要用幾個核苷酸實現複雜的功能，研究人員需要對DNA的化學和物理性質有著極為透徹的理解。DNA的鹼基能形成互補，A與T，G與C在雙鏈DNA中能形成鹼基對，讓DNA穩定。換句話說，當單鏈的DNA遇到和它互補的另一條單鏈DNA時，就會形成一條穩定的雙鏈DNA。更有意思的是，如果兩條單鏈DNA之間沒有形成完美的互補，那麼當它們遇到更適合自己的其他單鏈DNA時，就會投向對方的懷抱，形成新的雙鏈DNA。
利用這個原理，研究人員教會了DNA機器人怎麼工作。
▲DNA機器人學會了分揀螢光分子（圖片來源：《科學》）
首先，研究人員們製作了一塊58納米見方的場地，上面有許多豎起的單鏈DNA樁子，它們能與DNA機器人的「腳」形成互補。當機器人的一隻腳踩上樁子時，另一隻腳就會處於懸空狀態。在分子的隨機波動下，這隻懸空的腳又會踩到場地上的其他樁子，解放出第一隻腳。這就好像人在走路一樣，你邁出左腳時，右腳依舊踩在實地上。這樣一來，DNA機器人就學會了在場地上閒逛。
據估計，DNA機器人邁出的步伐只有人類步伐的幾億分之一！
▲這項研究的意義在於驗證了DNA機器人的可行性（圖片來源：《科學》）
利用類似的原理，研究人員教會了這些機器人識別和分揀分子。在一項實驗中，研究人員們在打造的場地上放置了2種不同顏色的螢光分子，並要求DNA機器人把粉色的分子放到場地一端，黃色的分子放到場地另一端。儘管這個小機器人的步伐非常小，但它依舊能在一天時間裡，完成人類布置的工作。研究人員還發現，在場地中添加多個DNA機器人，能加快任務完成的速度。這和人類協力工作的情景是多麼相似！
「我們的實驗室專注於發現工程化的方法，使DNA機器人的開發成為可能。我們並不打算用它做具體的應用，」錢璐璐教授說：「但我希望其他研究人員能利用這一原則，帶來令人興奮的應用。比如說，DNA機器人能用來合成帶有治療效果的分子，將藥物遞送到血液或細胞中有特殊信號的地方，或是回收分子垃圾。」
▲《科學》對這篇論文進行了專文點評（圖片來源：《科學》）
去年，諾貝爾化學獎授予了「分子機器」的合成與設計，彰顯了這一領域的巨大潛力。這也難怪《科學》雜誌對這項研究充滿溢美之辭，並在同期雜誌中進行了專門點評。我們期待這項重量級的研究成果能帶來實際應用，讓DNA在人體中發揮更多作用。
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參考資料：
[1] A cargo-sorting DNA robot
[2] Sorting molecules with DNA robots