使用社交账号登陆

当前位置: 主页 > 观点 > 博客 > Matteo Palma

从活体电脑到纳米机器人:DNA不仅仅是基因

时间: 2016年12月27日 标签: 房子

图片1.png

DNA是自然界里最让人惊叹的分子了,它微观结构可以携带构造地球上几乎所有生命形式所需指令。如今科学家们正在寻找将DNA应用于更广阔领域的方法,不仅要用它来储存信息,还要用它来制造大量生物机械中的组件。

    脱氧核糖核苷酸(Deoxyribonucleic acid或者说“DNA”,携带着我们人类乃至所有生命有机体实现功能的基因信息。它通常以著名的双螺旋结构出现,由两个单股DNA分子折叠而成。每一个DNA分子都由排列的四种分子组成:腺嘌呤(Adenine,缩写A)、胞嘧啶(Cytosine,C)、鸟嘌呤(Guanine,G)与胸腺嘧啶(Thymine,T)。

    不同的基因由这些构件以不同排列组成,这些构件在单个DNA上的排列正是编码的基因信息。但通过精确构造不同的A、G、T、C、序列,科学家们已经能将DNA折叠成不同的形状,像折纸一样,而不仅仅是通常的双螺旋形。

    这项技术拓展了新的可能,使用DNA不仅仅是出于基因和生物上的目的,还能把它转化成直径仅有十亿分之一米(纳米)的乐高那样的构建材料。以DNA为基础的材料已经被用在很多方面了,从电子纳米设备模板到对患病细胞精确投药。

 

基于DNA的纳米温度计

    纳米大小的电子设备应用前景一片大好,但它也使得找出电路故障变得更加困难。为了解决这个问题,蒙特利尔大学的研究者们用DNA制作纳米尺度的超敏温度计。这种温度计可以发现纳米设备上非常小的热区(这可能是故障处),也可以用来探测活细胞内的温度。

这种纳米温度计由作用跟开关一样的数圈DNA组成,它们通过自身折叠和展开来对温度变化作出响应,这些变化会被DNA附带的光学探针探测到。目前研究者们希望纳米温度计能成为更大的DNA设备的一部分,以便在人体内部发挥作用。

 

生物纳米机器人

    哈佛医学院的研究者们已经用DNA设计制造了一个纳米大小的机器人,它能准确识别细胞,作为药物的运载工具使用。这种纳米机器人由DNA组成半圆筒的样子,两个半圆筒由特殊的DNA手柄组成的铰链连接。这些手柄可以识别细胞表面的特殊蛋白,包括产生病变的细胞。

    当机器人与正确的细胞接触时,它会打开自己的容器向细胞输送运载物。应用到健康细胞与癌细胞混杂的人类血细胞中,这些机器人展现了它们的识别能力,在没有损害健康细胞的情况下杀死了半数癌细胞。


图片2.png 

DNA圆筒。Campbell Strong, Shawn Douglas, & Gaël McGill

 

活体动物中的生物电脑

    由于DNA结构可以像开关那样从一个状态转到另一个状态再回来, 人们可以用它来进行逻辑运算,这使得制造电子计算器成为可能。哈佛和以色列巴伊兰大学的研究者们用这个原理来制作可以相互配合的不同纳米机器人,这些机器人通过DNA开关来产生或响应不同信号。

另外,科学家们还将这些机器人植入动物体内,比如蟑螂。这使得他们有了全新的生物计算机,可以通过或禁止结构中的元素来控制蟑螂体内的治疗分子的运输。这一系列的纳米机器人将在不久后取代人类进行生物治疗。

 

光感触须

    当我们制造微小的机械时,DNA可以为我们提供在纳米刻度克隆自然过程的方法。比如说,大自然可以捕获太阳的能量再通过光合作用将光能转换成化学能。在植物和其他有机体(以及吃它们的动物)中,化学能就像是它们体内的燃料。亚利桑那州立大学和英属哥伦比亚大学的研究者们已经构建了一种可以捕获和转换光能的三臂DNA结构来模拟这个过程。

    光合作用在活有机体内的出现得益于大量分布于特定位置有特定距离的色素分子构成的极小触须。这种人造的以DNA为基础的结构表现得像触须一样,控制那些特殊的色素分子的位置,这些色素分子能吸收光能并将其运到反应中心以便光能转换成化学能。这份工作会为我们提升设备能力廓清道路。它能让我们更有效地利用人类能处理的储量最丰富的资源:太阳能。

那么,DNA纳米技术接下来会往什么方向发展呢?这很难猜测。但可以想到的是,在DNA的帮助下,大自然能够为我们提供多种多样的工具。现在我们需要做的就是好好地利用它们了。


本文观点仅代表作者,不代表《科学美国人》。

翻译:叶紫微  审校:李昱

原文链接:https://theconversation.com/from-living-computers-to-nano-robots-how-were-taking-dna-beyond-genetics-60580

 

 

 


关于我

Matteo Palma

Matteo Palma在法国斯特拉斯堡,在Paolo Samorì教授的监督下,我在路易•巴斯德大学的超分子科学与工程学院(the Institute of Supramolecular Science and Engineering,ISIS,由诺奖获得者J.M.Lehn创建)完成了我的博士学位