华人青年学者最新Science再发重要成果:从人工生化电路到DNA机器人

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2017年9月18日 来源:生物通

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  想象一个画面:一个小小的机器人穿过一片精细折叠的DNA,然后拾起一个分子,再在一个指定的位置上放下来,进行更多分拣。这并不是什么科幻片的场景,而是最新一项生物工程项目非常真实的研究结果:华人学者钱璐璐博士研究组发表了题为“A cargo-sorting DNA robot”的文章,研发出了DNA“机器人”……

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生物通报道:人工智能是无数小说和电影最初的灵感,也是无数科学家和工程师最终的梦想。想象一个画面:一个小小的机器人穿过一片精细折叠的DNA,然后拾起一个分子,再在一个指定的位置上放下来,进行更多分拣。这并不是什么科幻片的场景,而是最新一项生物工程项目非常真实的研究结果:华人学者钱璐璐博士研究组发表了题为“A cargo-sorting DNA robot”的文章,研发出了DNA“机器人”,这个机器人由一个单链DNA做成,包含“腿”和“手臂”,能自动地在一个纳米尺度的二维表面“走来走去”,将某些分子“捡起来”,然后放到指定位置。

这一研究成果公布在Science杂志上。早年师从上海交通大学贺林院士的钱璐璐(Lulu Qian)博士目前任职于加州理工学院生物工程系,她一直都对生物纳米技术与DNA分子计算感兴趣,几年前就曾与加州理工学院合作,利用人工合成的DNA分子,在试管中制成了当时最复杂的生化电路。华裔博士最新Science文章走在世界最前沿

对于这项最新成果,她表示,“分子编程(Molecular programming)并不仅仅是利用计算机程序来帮助分子系统的设计和分析,而且它还能够适应计算机原理,创建出生化系统,在分子水平上执行任务。利用这种方法,我设计出了可以解决基本逻辑问题的DNA电路,而且也构建出来一个DNA神经网络,用于执行简单的记忆相关功能。”

早在2004年,美国纽约大学的研究人员就曾经利用DNA研制出一种两足“机器人”。这种“DNA机器人”利用DNA链的特点可以在两个特定的立足点之间来回走动,科学家们认为,在纳米技术产品制造中可以采用这种技术。此后也不断出现了各种具有多方面用途的DNA“机器人”。

但是,现有的机器人都存在局限性,它们既不能自动行走,“每只脚移动都需要……额外的一个新DNA链,”文章的作者之一,Anupama Thubagere说。而且它们有时需要非常复杂,涉及多个DNA链的化学设计,钱博士表示,“这种复杂性并不是说机器人就无法完成更有趣的功能了,但是这样做,将会遇到许多困难。”

最新研究的DNA“机器人”由三个基本模块组成:一条“腿”和两只“脚”用来行走,一条“胳膊”和一只“手”用来拿“货物”分子,以及一个在抵达指定地点后示意放下“货物”的“信号”。每个模块仅由单链DNA中的几个碱基组成。原理上,这些模块可通过不同的方式组装出能执行不同任务的“机器人”。例如,一个多手臂“机器人”可同时运输多个分子货物。

同时研究人员还设计出一个58纳米长、58纳米宽的场地,DNA机器人大约需要一天的时间来探索整个测试场地。一路上,当机器人遇到拴在桩子上的货物分子时,就会用“手”抓住货物(分子货物连接在和手的碱基互补的单链上),然后继续行走,直到遇到放下货物的信号。这个过程虽然很慢,但一个简单的、消耗很少能量的机器人可完成这个看似复杂的任务。

来自杜克大学的计算机科学家John Reif(未参与该项研究)表示,这种“机器人的设计非常好……它很简单,但也能完成做非凡的事情。这项研究将能把DNA机器人研究领域带入到新的阶段。”

这些DNA“机器人”的设计并不是为了好玩,而是执行更多更复杂的认为,比如合成之前难以合成的化学物质,或者针对某些疾病信号递送药物。

钱博士表示,我们所知的许多应用还是来源自科幻小说,但实际上还有许多困难需要克服,例如给“机器人”增加更多的功能组件。

生物通:万纹)

原文标题:

A cargo-sorting DNA robot

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