智能DNA分子納米機器人模型以短的單鏈DNA為骨架，長(cháng)度通常為100個(gè)左右的核苷酸，通過(guò)自身折疊形成納米尺度的結構。在試管液體環(huán)境下，智能DNA分子納米機器人會(huì )自動(dòng)識別目標生物分子，然后迅速集結展開(kāi)“圍攻”，實(shí)現對目標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。
我們所熟知的機器人都是“鋼鐵戰士”，幫助人類(lèi)完成高危、高難度的工作。如今，生命的遺傳物質(zhì)——脫氧核糖核酸（DNA）為納米機器人締造了“血肉之軀”，刷新了人們的認知。
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)等機構合作，構建出了可非線(xiàn)性云集“圍攻”生物靶標分子的智能DNA分子納米機器人模型。有關(guān)論文發(fā)表于納米材料領(lǐng)域頂級期刊《納米視野》。
用DNA分子造個(gè)機器人
早在20世紀中期，國外學(xué)者就提出了分子機器的設想，預測未來(lái)只要把納米機器人放進(jìn)人體的血液中，它們就能自動(dòng)抵達病灶，進(jìn)行手術(shù)，治療疾病。然而，構筑這樣的機器人并不容易。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”“分子算盤(pán)”“分子汽車(chē)”等人工分子機器。盡管如此，這些人工分子機器無(wú)論是其功能性還是多樣性，都難以匹敵自然界的分子機器，如蛋白質(zhì)等。
作為遺傳物質(zhì)的DNA，有著(zhù)令人嘆為觀(guān)止的精準組裝能力。20世紀80年代，國外學(xué)者提出利用DNA分子構建各種具有納米尺度形狀和結構的聚集體的想法，并將其發(fā)展成為一個(gè)富有活力的DNA納米技術(shù)領(lǐng)域?！斑@種技術(shù)將DNA分子的組裝能力發(fā)揮得淋漓盡致。結合核酸適配體、核酶、各種刺激響應DNA基元以及DNA鏈交換反應，人們甚至可以讓DNA納米結構‘動(dòng)’起來(lái)，并在物質(zhì)和能量的輸入下，實(shí)現計算、行走、搬運、整理等多種功能?！闭撐牡谝蛔髡?、安徽大學(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納米機器人將納米尺度的DNA作為結構基礎。合理設計DNA分子，可以構筑成具有步移、結構開(kāi)合、靶標捕獲等動(dòng)態(tài)功能的DNA納米機器人，可應用于分析化學(xué)、醫學(xué)診斷和疾病治療等多個(gè)領(lǐng)域。
李紹飛說(shuō)，DNA納米機器人體積小、特別適用于狹窄的人體循環(huán)系統的藥物靶向遞送?！白孌NA納米機器人靶向遞送藥物，到達指定地點(diǎn)，定向治療炎癥或清除腫瘤，同時(shí)減少在正常組織或細胞的分布，是醫學(xué)納米技術(shù)的終極目標之一?！崩罱B飛說(shuō)。
不僅能精準送藥還能“殺敵”
“DNA是由4種核苷酸為基本單位連接而成的生物分子序列，特定的核苷酸之間可以相互配對結合?！崩罱B飛介紹，核苷酸的自身作用力和序列的可編程性，以及快速發(fā)展的DNA合成和修飾技術(shù)，為DNA納米機器人行使藥物靶向遞送功能奠定了基礎。
“將識別和結合腫瘤細胞的分子，包括核酸適配體、肽、抗體和生物小分子等，通過(guò)化學(xué)方法與DNA連接，就宛如為DNA納米機器人裝載了‘定向導航系統’，可發(fā)揮機器人的靶向功能?！崩罱B飛說(shuō)，同樣，將抗腫瘤藥物，包括功能核酸、化療藥物、蛋白質(zhì)、多肽和納米顆粒等與DNA結合，可發(fā)揮DNA納米機器人的藥物負載和遞送功能。
李紹飛介紹，在傳統的藥物遞送系統里，藥物經(jīng)血液循環(huán)，被動(dòng)到達有效部位的效率非常低。大劑量的使用藥物，將在全身產(chǎn)生嚴重的毒副作用。而DNA納米機器人，通過(guò)與環(huán)境作用自我驅動(dòng)，可將藥物有選擇地運送到靶向部位，提高靶向部位的藥物濃度。
“由于DNA序列具有良好的生物相容性、相對的化學(xué)穩定性，因此DNA納米機器人也具有這些特點(diǎn)，且還具有藥物包裹和藥效保護、提高腫瘤細胞對藥物的攝取效率等多種獨特功能?！崩罱B飛說(shuō)。
“在試管液體環(huán)境下，智能DNA分子納米機器人會(huì )自動(dòng)識別目標生物分子，然后迅速集結展開(kāi)‘圍攻’，實(shí)現對目標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?！崩罱B飛說(shuō)，這就像一只蜜蜂盯上了目標物，然后召喚其他蜜蜂不斷圍攻，形成容易被發(fā)現的聚集群一樣。
李紹飛介紹，智能DNA分子納米機器人模型以短的單鏈DNA為骨架，長(cháng)度通常為100個(gè)左右的核苷酸，通過(guò)自身折疊形成納米尺度的結構，其形狀類(lèi)似于一個(gè)發(fā)夾。
智能DNA分子納米機器人模型由多功能機械臂和備選附件（藥物、信號標簽、靶標鉗夾等）、靶標驗證器、智能云集路徑控制器和自組裝馬達等部件組成。每個(gè)部件都有各自的“使命”。例如，多功能機械臂可以從混合物中抓取目標分子，然后由靶標驗證器檢驗抓取目標的正確性。在抓取和識別到正確的目標分子后，機器人開(kāi)始在路徑控制器的引導下，按照非線(xiàn)性的路徑方式云集，并依賴(lài)自組裝馬達驅動(dòng)機器人完成云集組裝，最終形成大的組裝體。當這些部件完成各自“使命”時(shí)，目標分子充分“暴露”，只能乖乖“束手就擒”。
補齊短板方可迎來(lái)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器人的設想，這是藥物靶向遞送納米機器人概念的起源。20世紀90年代，納米技術(shù)的興起，不斷推動(dòng)納米機器人的發(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機器人的重要一步。2018年，我國國家納米科學(xué)中心設計出一種DNA納米折紙機器人，可攜帶藥物準確尋找到癌細胞的藏身之處。
“無(wú)論是國內還是國外，對DNA納米機器人的研究仍處于初級階段，距離臨床應用還有很長(cháng)的路要走?！崩罱B飛認為，雖然經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展，DNA納米機器人作為新型藥物靶向遞送系統，不斷取得突破。然而，為了滿(mǎn)足生物醫學(xué)應用的實(shí)際需求, 納米機器人在生物安全性、體內跟蹤導航、遞送效率、可持續地精確操控以及其他方面仍然存在諸多挑戰。
李紹飛表示，他們研究團隊成員分別將腫瘤細胞小分子和外泌體等作為靶標，成功對靶標實(shí)現了追蹤，初步驗證了智能DNA分子納米機器人模型的應用性能。
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(dòng)的復雜性和表征手段的局限性，以及生物樣品的多樣性，對模型的應用性能探索空間還很大?！崩罱B飛表示，下一步，團隊將重點(diǎn)優(yōu)化智能DNA分子納米機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)、生化分析和生物醫學(xué)中的應用潛能。
“特別是針對當前流行傳染性疾病，團隊正著(zhù)手探索利用智能DNA分子納米機器人模型進(jìn)行超靈敏診斷的可行性?！崩罱B飛表示，隨著(zhù)計算機科學(xué)、材料學(xué)、機器人學(xué)和醫學(xué)等學(xué)科的發(fā)展和學(xué)科交叉的融合進(jìn)步，智能DNA納米機器人在藥物靶向遞送中必然擁有廣闊的前景和發(fā)展空間。