納米前沿科技——DNA機(jī)器人

作為納米前沿科技快速發(fā)展的產(chǎn)物，加州理工大學(xué)“錢實(shí)驗(yàn)室”的DNA機(jī)器人步子又小又緩慢。它走一步需要5分鐘，步長(zhǎng)6納米，差不多是人類一步的600萬分之一。
 

它只有20納米長(zhǎng)，大約是一粒米的千分之一。它看起來像根線蟲，身子細(xì)長(zhǎng)，沒有臉，蛇一般纏來纏去。它的活動(dòng)場(chǎng)地是一塊DNA合成物的平板，隱藏在試管里——因?yàn)樘×?，需要被注射進(jìn)去。
 

板子上分布著兩種顏色的分子小球。這條“線蟲”游來游去，撿起小球送到指定的位置。兩種顏色分開擺放。
 

它是世界上首例可以同時(shí)完成行走、抓起、放下和分類工作的DNA機(jī)器人。今年9月，《科學(xué)》雜志發(fā)表了有關(guān)它的論文。
 

“這是DNA機(jī)器人的重要一步。”杜克大學(xué)工程學(xué)教授約翰·賴夫說。他自21世紀(jì)初就開始關(guān)注DNA合成研究的發(fā)展。
 

對(duì)更多人來說，這段跋涉還在肉眼無法看見的維度之中。
 

DNA機(jī)器人和出現(xiàn)在大眾媒體上的機(jī)器人不太一樣。后者的代表是由施瓦辛格扮演的硬漢“終結(jié)者”或拖著履帶條的大眼睛瓦力。而據(jù)錢實(shí)驗(yàn)室的管理者、加州理工大學(xué)助理教授錢璐璐介紹，自己實(shí)驗(yàn)室的這個(gè)小家伙在不和其他同伴纏繞時(shí)，差不多就是“一條軟軟的彈力繩”。
 

和那些金屬家伙不同，它的血肉由核苷酸構(gòu)成。后者也是脫氧核糖核酸，即DNA的組成物。這也是它名字的由來。
 

20世紀(jì)80年代，一名叫納德里安·西曼的紐約晶體學(xué)家逐漸意識(shí)到，大名鼎鼎的DNA不僅僅是生命秘密的所在，還可以是一種絕佳的建筑材料。
 

西曼那會(huì)兒留著大胡子，是個(gè)喜歡在講座里開玩笑的年輕教授。他在實(shí)驗(yàn)室的工作進(jìn)行得不太愉快——通過改變條件不斷實(shí)驗(yàn)析出結(jié)晶，以期獲得理想的分子成果，卻總是不盡人意。
 

他突然開了腦洞：能不能讓核酸自己組合出結(jié)果呢？
 

畢竟，這是大自然做了千萬年的事情，建筑是DNA與生俱來的能力。
 

眾所周知，DNA是兩條纏繞在一起的雙螺旋。具有互補(bǔ)序列的核苷酸，即A和T、C和G相遇，一定會(huì)配上對(duì)，伸出小觸手緊緊握住對(duì)方，搭出螺旋向上的階梯。
 

從這個(gè)角度來看，納米生物學(xué)實(shí)驗(yàn)一下子變成了媽媽織毛衣。只要將序列互補(bǔ)的DNA丟在一起，它們自然會(huì)組合出成果。不需要粘合劑，不需要楔子和釘槍，化學(xué)承擔(dān)了所有工作。線頭互相纏繞，毛線延伸的方向千變?nèi)f化，可以彼此正著纏、反著纏、夾花兒纏。
 

編織毛衣的“毛線”從DNA上切割下來，刀子則是限制酶。被切下的長(zhǎng)長(zhǎng)DNA縷(strand)并不像毛線那樣光滑，而長(zhǎng)著大大小小蜈蚣腳式的尖端。那些格外突出的尖端被稱作黏狀末端，顧名思義，可以在未來的編織中起到粘連的作用。它們是毛衣的線頭。
 

通過織毛衣式的人工合成，1982年，西曼獲得了一副DNA編就的井字花。實(shí)際上，30年來，這個(gè)領(lǐng)域的成果圖仿佛一本大型毛線手工書。
 

西曼和他的后繼者不斷使用新的編碼，改變切割的長(zhǎng)短，變換纏繞的方式，制造出花樣繁多的DNA分子結(jié)構(gòu)成果。有連續(xù)不斷如羅馬地磚式的2維圖案，也有3維的繡球，甚至可以在分子平面上排列出一個(gè)笑臉。DNA的“毛線”恪盡職守地排列組合，仿佛運(yùn)動(dòng)會(huì)開幕式上的團(tuán)體操表演。
 

DNA人工合成物不僅能組成靜態(tài)的圖案，還能造就可以自主動(dòng)作的機(jī)器人。人類能通過編碼來設(shè)計(jì)合成物的運(yùn)動(dòng)方式。
 

這同樣少不了自然的幫忙。DNA是編碼的天然材料。它能儲(chǔ)存大量信息，因此可以被設(shè)計(jì)進(jìn)行活動(dòng)。編碼的基礎(chǔ)簡(jiǎn)潔明了——序列。此外，很多信號(hào)能夠被轉(zhuǎn)化成自然信號(hào)。
 

錢璐璐團(tuán)隊(duì)的機(jī)器人擁有兩只“腳”，一條“手臂”和一只“手”。它活動(dòng)在一個(gè)一個(gè)特殊的分子表面上，這個(gè)平面由短促的DNA合成物組成，像一塊釘板。釘子上散落安放著需要被分類的小球。
 

機(jī)器人的腳和釘子上都被安放了DNA片段。序列互補(bǔ)，片段彼此吸引，腳就在釘子上踩實(shí)了。長(zhǎng)條狀的機(jī)器人從而穩(wěn)穩(wěn)地攀上釘子，像一只蛇蜿蜒爬上短樁。
 

通過編碼，兩只腳不能同時(shí)踩在一顆釘子上。當(dāng)機(jī)器人行動(dòng)時(shí)，它只需用閑著的那只腳攀上想到達(dá)的那顆釘子，踩在原來釘子上的腳就會(huì)自動(dòng)松開。它悠游在釘板上，像深草間躍動(dòng)的一只彈簧。
 

機(jī)器人對(duì)小球的分類同樣是依靠序列的幫忙實(shí)現(xiàn)的。小球上帶有兩截DNA片段，一截吸引機(jī)器人自由晃動(dòng)的手掌，從而能被拾起。一截吸引目的地的釘子，從而能被放下。兩種不同顏色的貨物要被送到不同的目的地，因此配對(duì)的標(biāo)記不一樣。
 

工作時(shí)，機(jī)器人被設(shè)計(jì)遵循最簡(jiǎn)單的行為法則：亂逛、隨緣。你家的掃地機(jī)器人滿屋亂轉(zhuǎn)，遇到灰塵就吃掉，DNA機(jī)器人也如此。手里空空時(shí)，遇見貨物就撿起來。拿著貨物時(shí)，遇到目的釘子就放下。
 

“這樣的漫游不會(huì)耗費(fèi)一點(diǎn)兒能量。”錢璐璐說。
 

“真是美麗的工作。”一位化學(xué)家在自己的視頻網(wǎng)站頻道對(duì)此評(píng)價(jià)道，“說起機(jī)器人，總會(huì)想到機(jī)械控制和電腦，而她們看到了其他的方向、自然的一面。”
 

“它們可以抵達(dá)人類到不了的地方。機(jī)電機(jī)器人被送去火星，它們則可以被送到血液循環(huán)里，精準(zhǔn)運(yùn)輸送達(dá)藥物。”錢璐璐對(duì)媒體表示。
 

錢璐璐團(tuán)隊(duì)的“彈力繩”并不缺少同類。近10年間，科學(xué)家運(yùn)用人工合成DNA制造出了不同功能的分子機(jī)器人。
 

一個(gè)長(zhǎng)得像帶蓋小水桶的家伙可能是打擊癌癥的最新武器。2012年9月，韋斯生物啟發(fā)工程研究所在《科學(xué)》上發(fā)表論文，推出了一種新型DNA機(jī)器人。

水桶內(nèi)盛放著藥物，水桶外壁裝著鎖——雙螺旋緊緊纏繞，筒體的兩部分因而牢牢閉合，保證藥物不灑出來。
 

打開鎖的鑰匙是一種特定的蛋白。一旦鎖上的一小縷DNA識(shí)別到了這種蛋白，會(huì)轉(zhuǎn)而附著在上面，從而松開鎖體的螺旋，打開整個(gè)水桶。