可以成群攻击生物目标的智能DNA分子纳米机器人模型来了

智能DNA分子纳米机器人模型以短单链DNA为骨架，通常长度约为100个核苷酸，自身折叠形成纳米级结构。在试管液体环境中，智能DNA分子纳米机器人会自动识别目标生物分子，然后快速集结，发起“围攻”，捕获目标生物分子，放大信号，有助于研究人员快速追踪。

我们都知道的机器人是“钢铁战士”，帮助人类完成高风险、高难度的工作。如今，生命的遗传物质3354脱氧核糖核酸(DNA)为纳米机器人创造了“血肉”，刷新了人们的认知。

近日，中科院合肥物质科学研究所杨良宝研究员课题组与安徽大学等机构合作，构建了一种智能DNA分子纳米机器人模型，可以非线性地“围攻”生物目标分子。该论文发表在纳米材料领域的顶级期刊《纳米视野》上。

用DNA分子建造一个机器人

早在20世纪中期，国外学者就提出了分子机器的设想，预言未来只要将纳米机器人放入人体血液中，就能自动到达病灶，进行手术，治疗疾病。然而，制造这样的机器人并不容易。超分子化学领域经过50多年的发展，已经制备出“分子马达”、“分子算盘”、“分子汽车”等相当精巧的人工分子机器。然而，就其功能性和多样性而言，这些人工分子机器很难与天然分子机器(如蛋白质)相媲美。

作为遗传物质，DNA具有惊人的精确组装能力。20世纪80年代，国外学者提出了利用DNA分子构建具有纳米尺度形状和结构的各种聚集体的设想，并将其发展成为一个充满活力的DNA纳米技术领域。“这项技术充分发挥了DNA分子的组装能力。结合核酸适体、核酶、各种刺激响应的DNA基序和DNA链交换反应，人们甚至可以在物质和能量的输入下，使DNA纳米结构‘移动’，实现计算、行走、搬运、排序等各种功能。”论文第一作者、安徽大学生命科学学院教师李少飞说。

李少飞告诉科技日报记者，DNA纳米机器人以纳米级的DNA为结构基础。通过对DNA分子的合理设计，设计出具有行走、结构开闭、目标捕获等动态功能的DNA纳米机器人。可以构建，可应用于分析化学、医学诊断和疾病治疗等诸多领域。

李少飞说，DNA纳米机器人体积小，特别适合在狭窄的人体循环系统中进行靶向药物输送。“让DNA纳米机器人靶向输送药物，到达指定部位，靶向治疗炎症或切除肿瘤，减少在正常组织或细胞中的分布，是医学纳米技术的终极目标之一。”李少飞说。

既能精确投药，又能“杀敌”

“DNA是以四种核苷酸为基本单位连接而成的生物分子序列，特定的核苷酸可以相互配对组合。”李少飞介绍，核苷酸的自作用力和序列的可编程性，以及DNA合成和修饰技术的快速发展，为DNA纳米机器人执行药物靶向递送功能奠定了基础。

“通过化学方法将识别和结合肿瘤细胞的分子，包括核酸适体、肽、抗体和小生物分子与DNA连接起来，就像为DNA纳米机器人加载了一个‘定向导航系统’，可以发挥机器人的靶向功能。”李少飞说，同样，将抗肿瘤药物，包括功能性核酸、化疗药物、蛋白质、肽和纳米颗粒与DNA结合，可以发挥DNA纳米机器人的载药和递送功能。

李少飞介绍，在传统的给药系统中，药物通过血液循环被动到达有效部位的效率很低。大剂量的药物会引起全身严重的毒副作用。然而，DNA纳米机器人在其与环境相互作用的驱动下，可以选择性地将药物运输到靶向位点，并提高靶向位点的药物浓度。

“由于DNA序列具有良好的生物相容性和相对的化学稳定性，DNA纳米机器人也具有这些特性，它们还具有药物封装和药效保护、提高肿瘤细胞的药物摄取效率等许多独特的功能。”李少飞说。

“在试管液体环境中，智能DNA分子纳米机器人会自动识别目标生物分子，然后快速组装并发起‘围攻’，捕捉目标生物分子并放大信号，这将有助于研究人员快速跟踪它们。”李少飞说，这就像一只蜜蜂盯上一个目标，然后召集其他蜜蜂不断围攻，形成一个容易被发现的聚集群。

李少飞介绍，智能DNA分子纳米机器人模型以短单链DNA为骨架，通常长度约为100个核苷酸，自身折叠形成纳米级结构，形状类似发夹。

智能DNA分子纳米机器人模型由多功能机械手和可选配件(药物、信号标签、靶夹等)组成。)、目标验证器、智能收敛路径控制器和自组装电机。每个组件都有自己的“使命”。例如，多功能机械手可以从混合物中抓取目标分子，然后目标验证器将检查抓取目标的正确性。在抓取并识别出正确的目标分子后，机器人在路径控制器的引导下开始以非线性路径聚集，依靠自组装电机驱动机器人完成组装，最终形成一个大的组装体。当这些成分完成各自的“任务”后，目标分子就完全“暴露”了，只能乖乖“投降”。

补齐短板迎来广阔前景

早在1959年，诺贝尔物理学奖获得者理查德费曼(richard feynman)就提出了纳米机器人的设想，这就是用于药物靶向给药的纳米机器人概念的由来。20世纪90年代，纳米技术的兴起不断推动着纳米机器人的发展。2017年，美国研究人员在《科学》杂志上发表论文，介绍了一种具有分选功能的DNA纳米机器人，它可以捕捉一些分子并释放到指定位置，这是DNA机器人的重要一步。2018年，中国国家纳米科学中心设计了一种DNA纳米折纸机器人，它可以携带药物，准确找到癌细胞的藏身之处。

“不管是国内还是国外，对DNA纳米机器人的研究仍处于初级阶段，距离临床应用还有很长的路要走。”李绍飞认为，虽然经过几十年的研究和发展，DNA纳米机器人作为新型药物靶向递送系统，不断取得突破。然而，为了满足生物医学应用的实际需求, 纳米机器人在生物安全性、体内跟踪导航、递送效率、可持续地精确操控以及其他方面仍然存在诸多挑战。

李绍飞表示，他们研究团队成员分别将肿瘤细胞小分子和外泌体等作为靶标，成功对靶标实现了追踪，初步验证了智能DNA分子纳米机器人模型的应用性能。

尽管目前已经创新了方法原理，并且建立了模型，但李绍飞坦言：“考虑到DNA分子运动的复杂性和表征手段的局限性，以及生物样品的多样性，对模型的应用性能探索空间还很大。”李绍飞表示，下一步，团队将重点优化智能DNA分子纳米机器人模型云集组装效率，并进一步整合优良的信号读出技术，挖掘其在DNA纳米技术、生化分析和生物医学中的应用潜能。

“特别是针对当前流行传染性疾病，团队正着手探索利用智能DNA分子纳米机器人模型进行超灵敏诊断的可行性。”李绍飞表示，随着计算机科学、材料学、机器人学和医学等学科的发展和学科交叉的融合进步，智能DNA纳米机器人在药物靶向递送中必然拥有广阔的前景和发展空间。