由DNA制成的纳米机器人

可折叠、有机且易于分解:为什么DNA是纳米机器人的首选材料
2021年5月12日

dna序列

DNA双螺旋的CGI图像

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只有在癌症医学中,我们的目标是攻击和杀死我们自己的细胞军团。但是健康的旁观者细胞经常会被致命的交火所捕获,这就是为什么癌症治疗会对患者产生严重的副作用。

医生们知道我们需要更聪明的药物只针对坏人。一种希望是,十亿分之一米大小的微型机器人可以前来救援,直接将药物输送到流氓癌细胞。为了制造这些纳米机器人,欧洲的研究人员正在转向生命的基本组成部分——DNA。

丹麦奥胡斯大学的化学家和DNA纳米技术专家Kurt Gothelf教授说,虽然你可以在固体硅上制作非常小的图案,但你无法真正将其制成100纳米以下的机械设备。这就是DNA发挥作用的地方。“DNA螺旋的直径只有两纳米,”戈尔特夫教授说。一个红细胞的直径约为6000纳米。

乐高

塔尼亚博士Patiño是意大利罗马大学的纳米技术专家,他说DNA就像乐高积木。“你有这些小积木,你可以把它们组合成任何你想要的形状,”她解释说。为了继续这个类比,DNA有四种不同的颜色块,其中两种颜色成对相反。这让它们变得可预测。

一旦你把一条DNA链串在一起,另一条链就会成对成对。科学家们已经学会了如何将DNA串在一起,使其产生分裂和弯曲。Gothelf教授说:“通过巧妙的设计,你可以将DNA链分叉,这样你就有了三维结构。”“很容易预测它的折叠方式。”

Patiño博士正在她的项目“DNA机器人”中开发自推进式DNA纳米机器人。“DNA是高度可调的,”她说。“我们可以用软件告诉我们哪个序列产生哪个形状。这是其他材料在这么小的尺度上不可能做到的。”

虽然DNA纳米机器人要用于人体还有很长的路要走,戈特夫教授说,“在未来十年内,我们不会看到任何基于此的药物”,但实验室正在取得进展。科学家们已经可以从病毒中获得一串DNA,然后用软件设计出更短的DNA片段与之配对,并将这串DNA弯曲成想要的形状。戈尔特夫教授说:“这种神奇的技术被称为DNA折纸。”它可以让科学家们用DNA制造出3D机器人。

在早期的突破中,Gothelf教授的研究实验室制造了一个带有盖子的DNA盒子。后来,另一个小组制造了一个桶形机器人,当它识别出癌症蛋白质时,它可以打开,并释放抗体片段。研究人员正在研究这一策略,以便有一天DNA机器人可以接近肿瘤,与肿瘤结合并释放其杀伤货物。

Patiño博士说:“有了纳米机器人,我们可以对肿瘤进行更具体的递送。”“我们不希望我们的药物被输送到全身。她在弗朗西斯科·里奇(Francesco Ricci)教授的实验室工作,该实验室研究用于检测抗体和输送药物的DNA设备。

与此同时,Gothelf教授领导的网络DNA- robotics正在培训年轻科学家为DNA机器人制造能够执行某些动作的部件。Gothelf教授正在研究一种类似于自行车手刹车的“螺栓和电缆”,在一个地方施加的力会使DNA机器人的另一部分发生变化。该网络的一个关键理念是“即插即用”,这意味着制造的任何部件都将与未来的机器人兼容。

血液中

除了执行特定的功能外,大多数机器人还可以移动。DNA机器人太小了,无法在我们的血液中游动,但仍有可能利用酶为它们设计有用的小引擎。

Patiño博士之前开发了一种DNA纳米开关,可以感知环境的酸度。她的DNA装置还可以作为一个自我推进的微型马达,这要归功于一种酶,它可以与我们体内常见的脲酶分子发生反应,并充当电源。Patiño博士说:“这种化学反应可以产生足够的能量来推动运动。”

运动对于让纳米机器人到达它们需要去的地方很重要。Patiño博士说:“我们可以将这些机器人注入膀胱,它们利用脲酶收集化学能并移动。”在未来,这种移动将帮助他们以比被动纳米粒子更有效的方式治疗肿瘤或疾病部位,因为被动纳米粒子不能移动。最近,Patiño等人报告说,当注射到老鼠的膀胱中时,装有纳米马达的纳米粒子比不动的粒子扩散得更均匀。

纳米机器人或许能够穿过我们体内的屏障,而不是在血液中游动。Patiño博士指出,大多数药物输送问题都是由于这些生物屏障,如粘膜层。这些屏障是用来阻挡细菌的,但往往会阻碍药物的使用。Patiño博士的自推进式DNA机器人可能会改变这些屏障的渗透性,或者简单地通过它们。

稳定

纳米颗粒可以从病人的膀胱中排出,但在身体的其他地方就不那么容易了,在那里可能需要可生物降解的自毁机器人。DNA是一种理想的物质,因为它在我们体内很容易被分解。但这也可能是一个缺点,因为身体可能会在DNA机器人完成工作之前迅速咀嚼它。科学家们正致力于涂覆或伪装DNA,并加强化学键以提高稳定性。

另一个潜在的缺点是,裸露的DNA片段可能被免疫系统视为细菌或病毒敌人的标志。这可能会引发炎症反应。到目前为止,还没有DNA纳米机器人被注射到人体中。尽管如此,Gothelf教授相信科学家能够解决这些问题。

事实上,稳定性和免疫反应是mRNA疫苗的开发人员必须克服的障碍。mRNA疫苗通过纳米颗粒将遗传指令传递到体内。Gothelf教授说:“Moderna和辉瑞公司(BioNTech)的疫苗(针对Covid-19)具有在纳米囊泡中形成的修饰寡核苷酸链,因此它接近于一个小型纳米机器人。”他预测未来DNA纳米机器人可以将药物准确地运送到需要的地方。例如,一种药物可以用一种特殊的连接器附着在DNA机器人上,这种连接器被一种只在特定细胞内发现的酶切断,从而确保药物在精确的位置释放。

但DNA机器人不仅仅适用于纳米医学。Gothelf教授正在将有机化学与DNA纳米机器人结合起来,沿着只有一个分子宽的导线传输光。这将进一步使电子产品小型化。DNA机器人可以帮助最小规模的制造,因为它们可以将分子放置在令人难以置信的微小位置,但彼此之间的距离精确。

但就目前而言,医学上的DNA机器人技术是大多数科学家梦寐以求的。Gothelf教授说:“你可以制造出比现在更智能、更具体的结构。”“这有可能制造出全新一代的药物。”

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