DNA在行走

吕 静

深藏在纽约城中，一个繁忙的化学实验室里，一只纺锤形的蜘蛛爬过一堆折纸。这些折纸可不是用普通彩纸折出的艺术品，它们由精心设计的DNA片段所制成。说到这里，就要解释一下“纳米蜘蛛”了。

这种蜘蛛不是用来织网或吃虫的，它是DNA纳米机器人的原型，也许某一天这种机器能完成人类所不能完成的细微任务。

十年以来，纳米机器人已从细小的镊子型机器发展到用两条“腿”向左或右迈步的“行走者”。科学家们一直在研制DNA纳米机器人，最近的研究更前进了一步，其目标是将DNA分子自己组织起来移动，在这些纳米机器中既没有电池，也没有信息存储设备，它们利用的是天然DNA与DNA之间相互作用的动力，DNA可以被设计成折纸基础。

哈佛大学的生物化学家威廉·施（William Shih ）说，“现在，分子行为设计正在出现爆炸性发展。正像电器已从计算机进化到iPhone4一样，我们也将看到这些东西进化成可以感知其周围环境，不会伤害健康细胞，并能瞄准疾病组织的精密微型车。”

最新的蜘蛛纳米机器人有三条到四条腿，它们沿着宽阔、精致折叠的DNA道路行走。某些分子机械人已经能自行走出50步，还有的微型运动机械臂能拾起或携带纳米粒子。

当然，眼下的DNA蜘蛛还不能很快统治世界，在这一点上，它们很像蹒跚学步的幼儿，在研究人员设计出让其行走的基础时，它们正实验性地在其分子疆界上摸索前进。但是某一天，纳米机器人军团可能会在最精密的实验室设备都无法胜任的很小尺度上作业。“蜘蛛”可能会寻找并摧毁人体内的癌症，甚至还可能会组装医学器械，或组建比你iPhone上字母“i”的小点儿还要小很多的微型计算机。

威斯康星大学麦迪逊分校的化学家劳埃德·史密斯（Lloyd Smith）说：“我们正在推进可能将DNA作为一种工作材料的技术系统，因为比起任何其他材料，我们更能理解、控制和指挥DNA。”

内置编程

要让DNA自行移动并非易事。一般情况下，细胞中DNA是以双螺旋的形式存在于细胞之中的，这是所有生命材料的蓝图。它很稳定，化学性质不活泼，只有在制造其他分子，如蛋白质或自我复制时双螺旋才会解开。

但是近年来，科学家已经知道到如何利用DNA自己的密码来让它行动起来。

DNA的链是由四种化学构件——碱基组成的，分别简写为A、T、G和C（A腺嘌呤、T胸腺嘧啶、G鸟嘌呤、C胞嘧啶）。在常规的DNA链中，这四种字母拼写的编码是用来组建蛋白质的，而在纳米蜘蛛，这些字母是其推进力的基础。

每一条蜘蛛腿都由专门设计碱基序列的单链DNA所组成，正像常规DNA一样，一个链上的A刚好与另一个链上的T形状相配，C和G刚好配对，通过一个个与正确的配对结合，纳米机器人的腿就可粘到附近的单链DNA上。

现在就说到了DNA折纸表面。这一技术是2006年由加州理工学院的合成分子生物学家保罗·罗斯蒙德（Paul Rothemund）发明的。他将单链DNA来回折叠，直到它们充满到复杂的纳米三角形、星星和笑脸的二维形状中。然后，他又设计了更小的“短链”，这种短链能与附近的DNA配对折叠连接，并在适当位置组成形状，只需将单链的DNA片段在溶液中混合就可以让其自行组装成各种形状。

罗斯蒙德的自组装DNA折纸技术产生了一个DNA蜘蛛的理想行走轨道，这使得科学家可以在一个更大的、2D表面对纳米蜘蛛的运动编辑指令。这样一来，蜘蛛便无需随身携带任何信息。

在DNA折纸上，选择短链再用额外的DNA积木延长就形成了蜘蛛的爬行轨道。这些单链还可以用来在平面上添加第三个维度，就像海底的海草一样，可从折纸向上粘。由于DNA碱基序列与蜘蛛腿上的碱基配对结合，短链就将蜘蛛拉到了表面，形成了一条行走的路径。

这一部分并不困难，难的是将纳米机器人的一条腿抬起来向前迈到下一个DNA链上。

小路漫步

一个解决办法是使用蜘蛛腿上的DNA酶来切开短链，打开链并将腿拔出，使得纳米机器人得以移动到附近一个依然完好的链上。

哥伦比亚大学的化学家米兰·史杜真奴维克（Milan Stojanovic）利用这种切割技术获得了能够自我行走的三条腿DNA蜘蛛。它们能够向上走50步，而且不会在轨道上绊倒。他和同事在2010年5月13日的《自然》杂志上报道了其研究成果。

过去的一个问题是，两条腿的纳米机器人行走中有时候会同时提起两条腿，这样就会飘离到轨道之外。而三条腿的蜘蛛则获得了更好的机会，它们至少有一条腿一直处在轨道表面。史杜真奴维克说：“蜘蛛的腿越多，粘性越好，它们能走的步也就越多。”

这种蜘蛛有一个作用像锚的额外附肢，能够只与折纸上的“启始”链结合。当研究人员加入一个DNA片段，就移开了蜘蛛的这个锚，于是蜘蛛开始沿着轨道上的其他链爬行。

由于蜘蛛一边爬行一边切断DNA链，它身后的DNA轨道都是它用过的，因此，这个蜘蛛更容易向前走，而不是往后退。沿着铺设在65×90纳米DNA折纸“原野”的轨道，蜘蛛可以走直线或转弯，无需外界帮助就可以沿着路径自己走。大约30分钟之后，蜘蛛到达“终止”链，这是蜘蛛脚上的酶所不能切割的链，这时任务完成。

史杜真奴维克说，他的下一个目标是增加蜘蛛所能行走的步数，并在折纸上设计更为复杂的动作。他还想设计出能够几个联合在一起合作完成一项任务的蜘蛛。他说，就像蚂蚁或其他社会性昆虫一样，这些蜘蛛也可能读出彼此的行动轨迹。

在遥远未来的某一天，这些蜘蛛可能会爬到细胞膜周围，识别出病变细胞并帮我们将其一举歼灭。

史杜真奴维克说：“这只是个梦想，并非即将来临的事。”

要让梦想变成现实，就需要让爬行者脱离人工的DNA轨道，能穿越更为自然的形状，比如细胞表面。但是，由于细胞膜上并没有覆盖DNA，所以需要将蜘蛛设计成可与一种不同分子相互作用的形式，科学家也可能将一种中间蛋白插入细胞。

“这将是一个缓慢的过程。” 史杜真奴维克说。

毁掉桥梁

一个自主蜘蛛的难题是其身后的轨道被切断了，所以折纸在走过一次后就不能再用了。英国牛津大学的安德鲁·特伯菲尔德（Andrew Turberfield）说：“如果微机械常常摧毁轨道，那你就要重建轨道，这将耗费巨大的能量，一辆毁坏身后道路的车子总有点不得人心。”

特伯菲尔德正在研究行走机器人自我运行但不摧毁其轨道的方法。他的小组已研制出两条腿的步行机器人，能沿着一条自己翻出的、可以再使用的DNA链行走，它的样子就像一个在垫上做前手翻腾跃的体操运动员。

将一段“燃料”链添加到周围溶液中提起行走机器人的后脚，机器人便会翻转过去，在轨道上向前移动一步。要让这种机器人向后走，只需变换一个燃料链，使其和机器人的前脚发生反应。

特伯菲尔德说，这种类型纳米机器人的灵感来自驱动蛋白，这是一种在细胞周围能够携带货物的天然分子马达。驱动蛋白的“两脚”是协调的，所以后脚始终是那只先抬起来向前迈步的。

“我们正在寻找什么细胞有这种马达，并试图模仿这种细胞。”特伯菲尔德说：“如果你从生物学上找灵感，那就不会出太大的错。”

纳米生产线

另外一种新型DNA蜘蛛不仅能走路，也能用其三个DNA臂拿起“货物”。

DNA纳米技术的先锋人物，纽约大学的奈德·塞曼（Ned Seeman）所领导的一个小组设计了一种四条腿、三个臂的蜘蛛，能够沿着折纸轨道从站台上拾起金纳米粒子。这种蜘蛛不能自行走路，它每迈出一步，都需要科学家向周围溶液中添加短的DNA单链，诱使它的脚向前。

研究人员在DNA折纸中嵌入了三个站台。每个站台都放着用一个DNA单链包裹的金纳米粒子，站台上的DNA单链与纳米蜘蛛臂的DNA互补。

当蜘蛛停在站台的时候，它的一个DNA臂会与这条DNA皮带结合，抓住纳米粒子并将其从纳米折纸上扯下来。当蜘蛛离开站台时，它就带着新货物去到下一站，在那里，它会取下另一个纳米粒子。

塞曼比较了纳米蜘蛛和沿生产线移动的汽车底盘。

他说：给蜘蛛添加配件“就像你给汽车底盘加上门、方向盘和发动机”一样，他的研究结果也发表在《自然》杂志上。

在经过了2次以上的停站后，蜘蛛的臂上可能最多拿到3个纳米粒子，但也可能只拿到了一个或两个。这是因为这些站台可能被设计为放弃或保留货物。利用相同的轨道，蜘蛛就可以拿到不同的纳米粒子组合。

塞曼说：“未来，一个单一生产线可能可以完成多达三块积木的工作。像这样更长的生产线就能组装更复杂的物体。他还计划让这种蜘蛛机器人自动，这样就可以让它们自行作业而无需科学家在它们每走一步时都添加新的DNA链。”

最后，他还想试图组装出能够结合成复杂化合物而不是最终都必须与DNA结合的分子。

他认为，蜘蛛能在每个站台拿起可以彼此结合的单个分子，通过在同一时间将分子放在一起，蜘蛛就能将在自然情况下不能很好反应的分子拼图块拼在一起。他认为这可能对化学家有所帮助。

塞曼说：“实际上，我们现在所做的所有化学就是将一堆东西都丢进锅里，搅动它们使之互相碰撞，在原则上我们应该可以使反应更容易些。”

爬向未来

研究人员也承认，目前的DNA蜘蛛还不能做任何有用的事情，而且大多数科学家都不愿意计划太远，并联想未来这些纳米机器人最终能做些什么。

一直从事DNA行走机器人研究的加州理工的生物工程师奈尔·皮尔斯（Niles Pierce）说：“能够勾画出比人类小10亿倍会走路的东西是很有吸引力的，但要让这种东西动起来，并让纳米尺度的原件装配出来投产使用，还是未来的目标。”

在经过数十年的研究后，人们还希望，有一天可以在人体内放置成群的DNA蜘蛛，让它们搜索并揭示癌症或疾病的蛛丝马迹，这些蜘蛛会相互通报在哪里发现了疾病组织，并能协同工作，用药囊轰炸靶标。这种靶向抗病炮弹可以避免一般药物渗入人体后影响其他组织而造成的副作用。

同样，从折纸生产线工厂生产的多臂DNA爬行者，可能会一个个抓住纳米粒子，将其装配到精确位置。纳米蜘蛛可能会组建出纳米尺寸的计算机芯片，它将可以容纳更多内存，还可以在更微小的空间中供能和加速。或可以将纳米粒子安置到新的配置中，形成可用于隐形装置的新型超材料。

罗斯蒙德说：“我们的一个目标就是使DNA和蛋白质系统像活细胞一样复杂，但要达到这一目标，就需要将DNA纳米技术系统更复杂上百倍、上千倍。”★