只有在癌癥醫(yī)學(xué)中，我們的目標(biāo)是攻擊并殺死我們自己的細(xì)胞軍團(tuán)。但是健康的細(xì)胞經(jīng)常被卷入，這就是為什么癌癥治療會(huì)對(duì)患者造成嚴(yán)重的副作用。

醫(yī)生們知道我們需要更聰明的藥物來(lái)對(duì)付壞人。希望是，利用十億分之一米大小的微型機(jī)器人可以來(lái)拯救癌癥，直接將藥物輸送到失控的癌細(xì)胞。為了制造這些納米機(jī)器人，歐洲的研究人員正轉(zhuǎn)向生命的基本組成部分——DNA。

現(xiàn)在的機(jī)器人有各種形狀和大小。最強(qiáng)大的工業(yè)機(jī)器人之一能舉起兩噸多重的汽車。但是像硅這樣的材料在最小的尺度上就不那么適合了。

丹麥奧爾胡斯大學(xué)的化學(xué)家和DNA納米技術(shù)研究員庫(kù)爾特·哥特夫教授說(shuō)，雖然你可以在固體硅上制作非常小的圖案，但你不能真正將其制作成100納米以下的機(jī)械設(shè)備。這就是DNA起作用的地方。哥特夫教授說(shuō)，DNA螺旋的直徑只有兩納米。一個(gè)紅細(xì)胞的直徑約為6000納米。

樂(lè)高積木

意大利羅馬大學(xué)的納米技術(shù)專家Tania Pati?o博士說(shuō)，DNA就像樂(lè)高積木。她解釋說(shuō)，你可以把這些小積木拼成任何你想要的形狀。繼續(xù)類推，DNA由四個(gè)不同顏色的塊組成，其中兩種顏色成對(duì)出現(xiàn)。這使得它們可以預(yù)測(cè)。

一旦你把一條DNA塊串在一起，另一條DNA塊就會(huì)成對(duì)出現(xiàn)?？茖W(xué)家們已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何將DNA串聯(lián)在一起，從而產(chǎn)生分裂和彎曲。戈特夫教授說(shuō)，通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，你可以擴(kuò)展DNA鏈，這樣你就擁有了三維結(jié)構(gòu)。預(yù)測(cè)它是如何折疊的就變的很容易。

Pati?o博士正在她的DNA機(jī)器人項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)自我推進(jìn)的DNA納米機(jī)器人。她說(shuō)，DNA是高度可調(diào)的。我們可以用軟件告訴我們哪個(gè)序列產(chǎn)生哪個(gè)形狀。這對(duì)于其他材料來(lái)說(shuō)是不可能的。

盡管DNA納米機(jī)器人要應(yīng)用于人類還有很長(zhǎng)的路要走，Gothelf教授說(shuō)，未來(lái)10年我們不會(huì)看到任何基于此的藥物，但我們正在實(shí)驗(yàn)室里取得進(jìn)展。科學(xué)家們已經(jīng)可以從病毒中獲得一串DNA，然后用軟件設(shè)計(jì)出更短的DNA片段，使其與這串DNA配對(duì)并彎曲成理想的形狀。Gothelf教授說(shuō)，這種神奇的技術(shù)被稱為DNA折紙(DNA origami)。它讓科學(xué)家可以用DNA制造出3D機(jī)器人。

Gothelf教授的研究實(shí)驗(yàn)室做了一個(gè)帶蓋子的DNA盒，這是一個(gè)早期的突破。后來(lái)，另一個(gè)研究小組制造了一個(gè)桶形機(jī)器人，當(dāng)它識(shí)別出癌癥蛋白質(zhì)時(shí)就能打開(kāi)，并釋放抗體片段。人們正在采用這種策略，以便有一天DNA機(jī)器人能夠接近腫瘤，與之結(jié)合，釋放出殺傷物質(zhì)。

Pati?o博士說(shuō)，有了納米機(jī)器人，我們可以對(duì)腫瘤進(jìn)行更精確的輸送。我們不希望我們的藥物被送到全身。她現(xiàn)在在Francesco Ricci教授的實(shí)驗(yàn)室，該教授的工作是研究用于檢測(cè)抗體和藥物輸送的DNA設(shè)備。

與此同時(shí)，Gothelf教授領(lǐng)導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)DNA- robotics正在培訓(xùn)年輕科學(xué)家，讓他們?yōu)?/span>DNA機(jī)器人制造可以執(zhí)行某些動(dòng)作的部件。Gothelf教授正在研究一種類似自行車手剎車的“螺栓和電纜”，在一個(gè)地方施加的力會(huì)改變DNA機(jī)器人的另一個(gè)部分。該網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵理念是“即插即用”，即制造的任何部件都將與未來(lái)的機(jī)器人兼容。

血液

除了執(zhí)行特定的功能，大多數(shù)機(jī)器人都可以移動(dòng)。DNA機(jī)器人太小了，無(wú)法與我們的血液抗衡，但仍有可能利用酶把它們改造成有用的小引擎。

Pati?o博士之前開(kāi)發(fā)了一種DNA納米開(kāi)關(guān)，可以感知環(huán)境的酸度。她的DNA裝置還可以作為一個(gè)自我推進(jìn)的微型馬達(dá)，這要?dú)w功于一種酶，它可以與我們體內(nèi)常見(jiàn)的脲酶分子發(fā)生反應(yīng)，并充當(dāng)能量來(lái)源。Pati?o博士說(shuō)，這種化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生足夠的能量來(lái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。

移動(dòng)對(duì)于納米機(jī)器人到達(dá)它們需要到達(dá)的地方很重要。我們可以將這些機(jī)器人注射到膀胱中，它們利用脲酶獲取化學(xué)能量并移動(dòng)，Pati?o博士說(shuō)。在未來(lái)，這種移動(dòng)將幫助他們更有效地治療腫瘤或疾病部位，而被動(dòng)納米顆粒不能移動(dòng)。最近，Pati?o和其他網(wǎng)站報(bào)道，當(dāng)將裝有納米馬達(dá)的納米顆粒注射到老鼠的膀胱中時(shí)，它們比不動(dòng)的顆粒分布得更均勻。

納米機(jī)器人或許可以通過(guò)我們體內(nèi)的屏障，而不是在血液中游泳。Pati?o博士指出，大多數(shù)藥物輸送問(wèn)題是由于這些生物屏障，如粘膜層造成的。這些屏障是用來(lái)抑制細(xì)菌的，但通常會(huì)阻礙藥物。Pati?o博士的自推進(jìn)DNA機(jī)器人可能會(huì)改變這些屏障的滲透性，或者僅僅是通過(guò)它們。

穩(wěn)定

納米顆?？梢詮牟∪说陌螂字信懦觯@一選擇在身體的其他地方就不那么容易了，在那里生物可降解的自毀機(jī)器人可能是必要的。DNA是一種理想的物質(zhì)，因?yàn)樗苋菀自谖覀凅w內(nèi)分解。但這也可能是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)槿梭w可能會(huì)在DNA機(jī)器人完成工作之前迅速咀嚼它。科學(xué)家們正致力于覆蓋或偽裝DNA，并加強(qiáng)化學(xué)鍵以提高穩(wěn)定性。

另一個(gè)潛在的缺點(diǎn)是，裸露的DNA片段可以被免疫系統(tǒng)視為細(xì)菌或病毒敵人的跡象。這可能會(huì)引發(fā)炎癥反應(yīng)。到目前為止，還沒(méi)有DNA納米機(jī)器人被注射到人體內(nèi)。盡管如此，Gothelf教授相信科學(xué)家能夠解決這些問(wèn)題。

事實(shí)上，穩(wěn)定性和免疫反應(yīng)是信使rna疫苗的開(kāi)發(fā)人員必須克服的障礙。信使RNA疫苗是一種將遺傳指令送入體內(nèi)的納米顆粒。戈特夫教授說(shuō)，Moderna和輝瑞(Pfizer)的新冠肺炎疫苗(Covid-19)有一種經(jīng)過(guò)修飾的寡核苷酸鏈，這種寡核苷酸鏈?zhǔn)窃谝粋€(gè)納米囊泡中制成的，所以它接近于一個(gè)小型納米機(jī)器人。他預(yù)測(cè)未來(lái)DNA納米機(jī)器人將把藥物精確地送到需要的地方。例如，一種藥物可以通過(guò)一種特殊的連接物連接到DNA機(jī)器人上，這種連接物會(huì)被一種只存在于特定細(xì)胞內(nèi)的酶切斷，從而確保藥物在特定位置釋放。

但是DNA機(jī)器人并不僅僅適用于納米醫(yī)學(xué)。Gothelf教授將有機(jī)化學(xué)與DNA納米機(jī)器人相結(jié)合，使光沿著只有一個(gè)分子寬度的導(dǎo)線傳輸。這將進(jìn)一步縮小電子設(shè)備。DNA機(jī)器人可以幫助最小規(guī)模的制造，因?yàn)樗鼈兛梢詫⒎肿臃胖迷诹钊穗y以置信的微小但精確的距離上。

不過(guò)就目前而言，醫(yī)學(xué)上的DNA機(jī)器人是大多數(shù)科學(xué)家夢(mèng)寐以求的。戈特夫教授說(shuō)，你可以制造出比現(xiàn)在更智能、更具體的結(jié)構(gòu)。這有可能制造出全新一代的藥物。