创新

DNA分子机器人

可自主地在一种分子表面“行走”

●创新点

正如机电传动机器人（electromechanical robot）被派送到了火星等遥远地方，人们同样想要派送纳米机器人到人类不能够去的微小空间，例如血液等。2017年9月15日，美国加利福尼亚理工学院生物工程系的研究团队开发出了一种全自动的分子机器，可在纳米尺度上执行任务。

●方法和结果

研究人员首先构建出了3种能够被用来组装DNA机器人的基础构件：“腿部”携带着两只“脚”用于行走；“手臂”和“手”用于抓住货物；“体节”能够识别特定的释放位点，并且给手发送信号释放它抓住的货物。每个构件仅由单链DNA中的几个核苷酸组成。该团队构建的纳米机器人能够在一种大分子表面上探索并抓起两个不同分子：一个黄色荧光染料分子和一个粉红色荧光染料分子，随后将它们分发到这个表面上的两个不同的区域。实验结果表明，这种纳米机器人在24小时内成功地分拣了6个分子（3个黄色荧光染料分子和3个粉红色荧光染料分子）到它们的正确位置上。加入更多的纳米机器人到这种表面上会缩短完成这项任务所需的时间。这些微型机器人可以完成更加复杂的任务，例如将十多种不同的分子货物运输到不同的地点等。

应用前景

DNA机器人可以在未来实现一系列令人激动的应用，比如在人造的分子工厂中组装化学药物，将药物分子运输到血液中或者细胞中指定的位置，进行小规模的肿瘤手术，或者开发纳米设备等。

Source：Anupama J.Thubagere, Wei Li, Lulu Qian, et al. A cargo-sorting DNA robot[J]. Science.2017, 357(6356), eaan6558, doi：10.1126/science.aan6558.

非 侵入性的深脑刺激技术

对大脑的精确调控成为可能

●创新点

脑部电刺激，是近年来进一步发展完善的脑科学实验技术，对于许多患有重度抑郁症、阿尔茨海默病或帕金森病的患者来说也是最后的救命稻草。然而，现有的技术还远不完美，脑深部电刺激（Deep Brain Stimulation，DBS）需要侵入性的开颅手术来植入电极。例如，在治疗帕金森病患者时，神经科医生会将电极埋入丘脑或纹状体（striatum）——它是人脑控制各种肌肉和日常运动的中心，也是帕金森病的病灶。然而，这些电极的植入并不是一劳永逸的，它们可能会磨损，或需要再次手术来进行替换。脑深部电刺激的手术本身就有风险，可能引发心脏病、癫痫、头痛、细菌感染、植入区域暂时性的疼痛和肿胀，甚至中风。脑深部电刺激的副作用，则可能包括语言障碍、平衡困难、局部发麻、情绪波动如狂躁或者抑郁等。其他在大脑表层运作的手段，如经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）等非侵入性电磁刺激则因有限的空间准确性为人诟病。2017年6月，美国麻省理工学院的生物工程与神经科学家、“光遗传学之父”爱德华·博伊登（Edward Boyden）及其团队在《细胞》杂志发表的一种非侵入性的深脑刺激技术可能给神经科学家对大脑的精确调控和研究带来新的可能。

●方法和结果

博伊登团队利用高频电场相干产生的低频率电场振荡，精确刺激目标深部脑区。实验数据表明，目标区域的神经细胞被选择性地激活了，周围的细胞并未表达出只有在激活时才生产的蛋白质。当观察小鼠的实时行为变化时，他们发现被新技术激活的神经元能立刻改变动物的行为。博伊登的团队将这种“隔空”刺激脑区的新方法称为“时间干涉”刺激（Temporal Interference,TI）。为了验证TI技术的精准程度，研究人员进行了细胞分子层面的研究。他们在进行TI刺激的同时，分别记录了先后受到刺激的、较浅的体感皮层（somatosensory cortex），以及较深的海马（hippocampus）神经元发放动作电位的情况。结果表明，被TI刺激后的目标区域神经元与直接受到10赫兹电刺激的对照组神经元均产生了频率为10赫兹左右的动作电位。此外，对TI技术的安全性测试并未发现病理改变、温度过高或者细胞凋亡、坏死。

应用前景

TI技术不仅可以在未来应用于抑郁症、阿尔茨海默病、帕金森病等多种神经精神类疾病的治疗，同时也为进一步解密人类脑功能、绘制人类脑图谱提供了绝佳的方法。

Source：Nir Grossman,David Bono, Nina Dedic, et al.Noninvasive Deep Brain Stimulation via Temporally Interfering Electric Fields[J]. Cell, 2017, 169(6)：1029～1041.

通 过水合离子精确控制石墨烯膜的层间距

过滤或脱盐领域的最佳候选膜

●创新点

氧化石墨烯膜是由部分氧化的石墨烯片层堆叠而成，具有超薄、高通量、低能耗等优点，可实现在水溶液中筛选离子或分子，在海水淡化、水净化、气体分离、离子分离、生物传感、锂电池和超级电容器等领域具有广泛的应用前景。和碳纳米管薄膜不同的是，碳纳米管孔结构和尺寸固定，而氧化石墨烯膜的孔尺寸可以通过层间距实现调控，这也是氧化石墨烯膜具有广泛应用的核心基础。氧化石墨烯膜应用的主要挑战在于：石墨烯膜在水中容易膨胀，难以实现在纳米尺度精确控制层间距。我国3个团队合作，实现了石墨烯氧化膜层间距的精确控制。

●方法和结果

中国科学院上海应用物理研究所方海平、李景烨团队,上海大学吴明红团队，南京工业大学金万勤团队合作，成功使用K+、Na+、Ca2+、Li+或 Mg2+控 制 石墨烯膜的层间距，使氧化石墨烯膜表现出优异的离子筛分和海水淡化性能。此外，由一种类型阳离子控制的膜间距可以有效地选择性排除具有较大水合体积的其他阳离子。第一性原理计算和紫外吸收光谱表明，最稳定的阳离子吸附位置是氧化物基团和芳环共存的地方。密度泛函理论计算表明，与Na+相比，其他阳离子应该具有比石墨烯片更强的阳离子-π相互作用。

应用前景

这项研究为氧化石墨烯膜的层间距控制提供了新的思路，进一步推进了氧化石墨烯膜在海水淡化等重大领域的实际应用进程。

Source：Ryohichi Sugimura,Deepak Kumar Jha, Areum Han,et al. Haematopoietic stem and progenitor cells from human pluripotent stem cells[J]. Nature,2017，545：432～438.