自组装纳米机器人手臂

可在电场控制下高速运行

●创新点

DNA纳米机器人系统是纳米机器人中的一种，近年来不断得到发展。大多数基于DNA分子的机器人主要由各式各样的DNA分子进行调控，包括利用额外添加外部DNA“燃料链”、DNA杂交、DNA-切割酶、改变缓冲环境(如pH值)或者使用化学光电开关收集光来诱导反应。然而，由于种种原因，这些方法最终使得DNA分子机器人的运动行为非常缓慢，需要数分钟甚至数小时的时间才能完成所需的运动过程。德国慕尼黑工业大学的团队成功研制出可高速运行的DNA分子机器人，其速度比普通的DNA分子机器人快10万倍左右。

●方法和结果

研究者使用了一种分子自组装的技术：DNA折纸技术。这项技术可以将DNA链折叠成巧妙的结构。通过DNA折纸技术，团队制造了一个边长为55纳米的正方形刚性基面，它由一个灵活的关节与一个25～400纳米长的手臂连接而成(以上所涉及的结构均由DNA分子组成)。这个结构被固定在一个定制的装满水的样品室底部，研究人员可以在刚性基面上加上任意方向的电场。因为DNA是负电荷的，所以它可以被电场所操控，通过控制DNA的方向，研究人员能够让DNA手臂相对于基板做出任意角度的运动。电场除了可以对DNA进行快速调控外，还可以用来降低DNA对接的稳定性，从而加快解绑固定基面上的DNA手臂。与之前展示的DNA分子机器人系统或组装线相比，此次成果利用电场控制可以更快地对DNA分子机器人进行移动和定位，并且该方法不需要添加任何的“燃料”或者改变缓冲环境。

当DNA手臂固定到一个特定的对接点时，如果绑定点固定作用足够强，即便撤掉电场，DNA手臂依然能很好地固定在该点。该系统的一个重要特点是，DNA手臂既可以作为一个固定观察点的“指针”，也可以起到类似杠杆臂的作用。当DNA臂上携带多个电荷时，外部电场会对其产生很大的作用力，而这种力使得DNA臂可绕支点进行转动或实现与结点的对接。将这个机械臂组装完成之后，研究人员把一个长度为25纳米的金属颗粒放置到该DNA手臂可自由移动的一端。开启外电场之后，这个DNA机械臂就会开始旋转，带动顶端的纳米颗粒发生运动。

应用前景

该研究确定了DNA手臂的运行机制，对该领域的研究有重要的意义。接下来，该研究团队会继续致力于研究如何利用DNA手臂来创建一个用于抓取和释放分子/纳米粒子的可靠机制，通过手臂将对象从获取区域移动到目标区域。这种DNA手臂还可以与其他技术平台连用，任意拾取和释放所构分子的RNA或DNA聚合酶，在原子水平实现生物分子的3D打印，为DNA纳米器件的调控开辟了新的方向。此外，可被远程控制的DNA手臂也适用于药物分子的制备，实现药物在分子级别的精准释放。

Sources：Enzo Kopperger,Jonathan List1, Sushi Madhira, et al.A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields [J].Science, 2018, 359（6373）:296–301.