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“手速”超快,科學家造出可高速運動的DNA 機械臂

2018-01-23   浏覽量:  文章來源: 未知

核心提示:DNA納米機器人系統是納米機器中的一種,并在近些年得到了不斷發展。而在1月19日的《科學》雜志上,我們又看到了DNA納米機器人實現的又一項“壯舉”—— 研究人員利用電場加速了DNA機器人系統的運動速度。
  DNA納米機器人系統是納米機器中的一種,并在近些年得到了不斷發展。而在1月19日的《科學》雜志上,我們又看到了DNA納米機器人實現的又一項“壯舉”—— 研究人員利用電場加速了DNA機器人系統的運動速度。
  之前的DNA分子機器因為依賴DNA分子因子的緣故而不能更快地運行,相比之下,這次的DNA分子機器人的速度比普通的DNA機器人要快上約10萬倍,可以說是極大地促進了DNA機器人系統的發展。
  該研究由德國慕尼黑工業大學 (TUM) 的團隊完成。論文的合作者,慕尼黑工業大學 (TUM) 的 Friedrich Simmel 教授表示,之前大多數基于 DNA 分子的機器主要是由各式各樣的 DNA 分子進行調控, 包括利用額外添加外部 DNA“燃料鍊”DNA 雜交,DNA-切割酶, 改變緩沖環境 (如 pH 值), 或者使用化學光電開關收集光來誘導反應。不過,由于種種原因,這些方法最終使得運動行為非常的慢,需要數分鐘甚至數小時的時間才能完成所需的運動過程。
  與之前展示的 DNA 機器人系統或組裝線相比,此次成果利用電場控制可以更快的對 DNA 機器進行移動和定位,并且該方法不需要添加任何的“燃料”或去改變緩沖環境。
  
  此次實驗中, Simmel 和他的同事們使用了一種分子自組裝的技術: DNA 折紙。這項技術可以将 DNA 鍊折疊成巧妙的結構。
  通過 DNA折紙技術,團隊創造了一個邊長為 55 納米的正方形剛性基面,它通過一個靈活的關節與一個 25~400 納米的長臂相連接 (以上所涉及的結構均由 DNA 分子組成)。這個結構被固定在了一個定制的裝滿水的樣品室底部,研究人員可以在剛性基面上加上任意方向的電場。
  圖丨左圖為利用 DNA“折紙”技術“折疊”出的方形基面與機械臂,以及連接兩者的結點;右圖為在電場的作用下,施加力于機械臂一端,機械臂能圍繞結點軸轉動
  因為 DNA 是負電荷的, 所以它可以被電場所操控,通過控制 DNA 的方向, 研究人員能夠讓 DNA 手臂相對于基闆做出任意角運動。電場除了對于 DNA 的進行快速的調控, 還可以用來降低 DNA 對接的穩定性, 從而加快解綁固定在基面上的 DNA 手臂。
  圖丨在25赫茲下的機械臂的順時針與逆時針運動
  Simmel 補充道,當在基闆上創建一些“對接點”的話 , 就可以利用電場将 DNA 臂從基闆上的固定位移到另一個位置。另外當 DNA 手臂固定到一個特定的對接地時, 如果綁定點固定作用足夠強,即便我們撤掉電場,DNA 手臂依然能很好的固定在該點。
  該系統的一個重要特點是, DNA 手臂既可以作為一個固定觀察點的 “指針”, 也可以起到類似杠杆臂的作用。當 DNA 臂上攜帶許多電荷時,外部電場在其上會産生很大的作用力, 而這種力可以使得 DNA 臂繞支點進行轉動或實現與結點的對接。
  将這個機械臂組裝完成之後,研究人員把一個長度25nm的金顆粒放置到該 DNA手臂可自由移動的一端。開啟外電場之後,這個DNA機械臂就會開始旋轉,帶動頂端的納米顆粒發生運動。
  圖丨研究者将一個金納米棒綁在了手臂上,帶動它與基面上熒光物質(綠色與紅色)發生作用
  雖然确定 DNA 手臂的運行機制已經非常有意義了,但是 Simmel 的研究團隊有着更大的目标。接下來,他們會繼續緻力于研究如何利用 DNA 手臂來創建一個用于抓取和釋放分子/納米粒子的可靠機制, 通過手臂将對象從獲取區域移動到目标(靶)區域。
  這種 DNA 手臂還可以與其他技術平台連用,任意拾取和釋放所構分子的RNA 或 DNA聚合酶,在原子水平實現生物分子的 3D 打印。Simmel 也認為,在該研究的潛在的應用上,組裝複雜的分子結構的方式或許有點類似于 3D 打印機。盡管将分子迅速地 3D 打印出來是不可能的,但是這項工作為 DNA 納米器件的調控開辟了新的方向。此外,可被遠程控制的 DNA 手臂也适用于藥物分子制備,實現藥物在分子級别的精準釋放。
  (來源:醫谷 2018-01-23 15:27)

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