刷新認知！納米機器人締造“血肉之軀”

2022-06-29 10:52:44來源：科技日報

我們所熟知的機器人都是“鋼鐵戰士”，幫助人類完成高危、高難度的工作。如今，生命的遺傳物質——脫氧核糖核酸(DNA)為納米機器人締造了“血肉之軀”，刷新了人們的認知。

近日，中國科學院合肥物質科學研究院楊良保研究員課題組與安徽大學等機構合作，構建出了可非線性云集“圍攻”生物靶標分子的智能DNA分子納米機器人模型。有關論文發表于納米材料領域頂級期刊《納米視野》。

用DNA分子造個機器人

早在20世紀中期，國外學者就提出了分子機器的設想，預測未來只要把納米機器人放進人體的血液中，它們就能自動抵達病灶，進行手術，治療疾病。然而，構筑這樣的機器人并不容易。超分子化學領域經歷50多年的發展，已經可以制備出頗為精巧的“分子馬達”“分子算盤”“分子汽車”等人工分子機器。盡管如此，這些人工分子機器無論是其功能性還是多樣性，都難以匹敵自然界的分子機器，如蛋白質等。

作為遺傳物質的DNA，有著令人嘆為觀止的精準組裝能力。20世紀80年代，國外學者提出利用DNA分子構建各種具有納米尺度形狀和結構的聚集體的想法，并將其發展成為一個富有活力的DNA納米技術領域。“這種技術將DNA分子的組裝能力發揮得淋漓盡致。結合核酸適配體、核酶、各種刺激響應DNA基元以及DNA鏈交換反應，人們甚至可以讓DNA納米結構‘動’起來，并在物質和能量的輸入下，實現計算、行走、搬運、整理等多種功能。”論文第一作者、安徽大學生命科學學院教師李紹飛表示。

李紹飛告訴科技日報記者，DNA納米機器人將納米尺度的DNA作為結構基礎。合理設計DNA分子，可以構筑成具有步移、結構開合、靶標捕獲等動態功能的DNA納米機器人，可應用于分析化學、醫學診斷和疾病治療等多個領域。

李紹飛說，DNA納米機器人體積小、特別適用于狹窄的人體循環系統的藥物靶向遞送。“讓DNA納米機器人靶向遞送藥物，到達指定地點，定向治療炎癥或清除腫瘤，同時減少在正常組織或細胞的分布，是醫學納米技術的終極目標之一。”李紹飛說。

不僅能精準送藥還能“殺敵”

“DNA是由4種核苷酸為基本單位連接而成的生物分子序列，特定的核苷酸之間可以相互配對結合。”李紹飛介紹，核苷酸的自身作用力和序列的可編程性，以及快速發展的DNA合成和修飾技術，為DNA納米機器人行使藥物靶向遞送功能奠定了基礎。

“將識別和結合腫瘤細胞的分子，包括核酸適配體、肽、抗體和生物小分子等，通過化學方法與DNA連接，就宛如為DNA納米機器人裝載了‘定向導航系統’，可發揮機器人的靶向功能。”李紹飛說，同樣，將抗腫瘤藥物，包括功能核酸、化療藥物、蛋白質、多肽和納米顆粒等與DNA結合，可發揮DNA納米機器人的藥物負載和遞送功能。

李紹飛介紹，在傳統的藥物遞送系統里，藥物經血液循環，被動到達有效部位的效率非常低。大劑量的使用藥物，將在全身產生嚴重的毒副作用。而DNA納米機器人，通過與環境作用自我驅動，可將藥物有選擇地運送到靶向部位，提高靶向部位的藥物濃度。

“由于DNA序列具有良好的生物相容性、相對的化學穩定性，因此DNA納米機器人也具有這些特點，且還具有藥物包裹和藥效保護、提高腫瘤細胞對藥物的攝取效率等多種獨特功能。”李紹飛說。

“在試管液體環境下，智能DNA分子納米機器人會自動識別目標生物分子，然后迅速集結展開‘圍攻’，實現對目標生物分子的捕獲和信號放大，有助于研究人員對其快速追蹤。”李紹飛說，這就像一只蜜蜂盯上了目標物，然后召喚其他蜜蜂不斷圍攻，形成容易被發現的聚集群一樣。

李紹飛介紹，智能DNA分子納米機器人模型以短的單鏈DNA為骨架，長度通常為100個左右的核苷酸，通過自身折疊形成納米尺度的結構，其形狀類似于一個發夾。

智能DNA分子納米機器人模型由多功能機械臂和備選附件(藥物、信號標簽、靶標鉗夾等)、靶標驗證器、智能云集路徑控制器和自組裝馬達等部件組成。每個部件都有各自的“使命”。例如，多功能機械臂可以從混合物中抓取目標分子，然后由靶標驗證器檢驗抓取目標的正確性。在抓取和識別到正確的目標分子后，機器人開始在路徑控制器的引導下，按照非線性的路徑方式云集，并依賴自組裝馬達驅動機器人完成云集組裝，最終形成大的組裝體。當這些部件完成各自“使命”時，目標分子充分“暴露”，只能乖乖“束手就擒”。

補齊短板方可迎來廣闊前景

早在1959年，諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼就提出了納米機器人的設想，這是藥物靶向遞送納米機器人概念的起源。20世紀90年代，納米技術的興起，不斷推動納米機器人的發展。2017年，美國科研人員在《科學》雜志上發文，介紹了一款具有分揀功能的DNA納米機器人，它可以抓住某些分子，并且將它們釋放到指定的位置上，這是DNA機器人的重要一步。2018年，我國國家納米科學中心設計出一種DNA納米折紙機器人，可攜帶藥物準確尋找到癌細胞的藏身之處。

“無論是國內還是國外，對DNA納米機器人的研究仍處于初級階段，距離臨床應用還有很長的路要走。”李紹飛認為，雖然經過幾十年的研究和發展，DNA納米機器人作為新型藥物靶向遞送系統，不斷取得突破。然而，為了滿足生物醫學應用的實際需求, 納米機器人在生物安全性、體內跟蹤導航、遞送效率、可持續地精確操控以及其他方面仍然存在諸多挑戰。

李紹飛表示，他們研究團隊成員分別將腫瘤細胞小分子和外泌體等作為靶標，成功對靶標實現了追蹤，初步驗證了智能DNA分子納米機器人模型的應用性能。

盡管目前已經創新了方法原理，并且建立了模型，但李紹飛坦言：“考慮到DNA分子運動的復雜性和表征手段的局限性，以及生物樣品的多樣性，對模型的應用性能探索空間還很大。”李紹飛表示，下一步，團隊將重點優化智能DNA分子納米機器人模型云集組裝效率，并進一步整合優良的信號讀出技術，挖掘其在DNA納米技術、生化分析和生物醫學中的應用潛能。

“特別是針對當前流行傳染性疾病，團隊正著手探索利用智能DNA分子納米機器人模型進行超靈敏診斷的可行性。”李紹飛表示，隨著計算機科學、材料學、機器人學和醫學等學科的發展和學科交叉的融合進步，智能DNA納米機器人在藥物靶向遞送中必然擁有廣闊的前景和發展空間。(吳長鋒)