[科普中國]-DNA機器人：巨大的一小步

作為納米前沿科技快速發(fā)展的產物，加州理工大學“錢實驗室”的DNA機器人步子又小又緩慢。它走一步需要5分鐘，步長6納米，差不多是人類一步的600萬分之一。

它只有20納米長，大約是一粒米的千分之一。它看起來像根線蟲，身子細長，沒有臉，蛇一般纏來纏去。它的活動場地是一塊DNA合成物的平板，隱藏在試管里——因為太小了，需要被注射進去。

板子上分布著兩種顏色的分子小球。這條“線蟲”游來游去，撿起小球送到指定的位置。兩種顏色分開擺放。

它是世界上首例可以同時完成行走、抓起、放下和分類工作的DNA機器人。今年9月，《科學》雜志發(fā)表了有關它的論文。

“這是DNA機器人的重要一步。”杜克大學工程學教授約翰·賴夫說。他自21世紀初就開始關注DNA合成研究的發(fā)展。

對更多人來說，這段跋涉還在肉眼無法看見的維度之中。

建筑是DNA與生俱來的能力

DNA機器人和出現(xiàn)在大眾媒體上的機器人不太一樣。后者的代表是由施瓦辛格扮演的硬漢“終結者”或拖著履帶條的大眼睛瓦力。而據(jù)錢實驗室的管理者、加州理工大學助理教授錢璐璐介紹，自己實驗室的這個小家伙在不和其他同伴纏繞時，差不多就是“一條軟軟的彈力繩”。

和那些金屬家伙不同，它的血肉由核苷酸構成。后者也是脫氧核糖核酸，即DNA的組成物。這也是它名字的由來。

20世紀80年代，一名叫納德里安·西曼的紐約晶體學家逐漸意識到，大名鼎鼎的DNA不僅僅是生命秘密的所在，還可以是一種絕佳的建筑材料。

西曼那會兒留著大胡子，是個喜歡在講座里開玩笑的年輕教授。他在實驗室的工作進行得不太愉快——通過改變條件不斷實驗析出結晶，以期獲得理想的分子成果，卻總是不盡人意。

他突然開了腦洞：能不能讓核酸自己組合出結果呢？

畢竟，這是大自然做了千萬年的事情，建筑是DNA與生俱來的能力。

眾所周知，DNA是兩條纏繞在一起的雙螺旋。具有互補序列的核苷酸，即A和T、C和G相遇，一定會配上對，伸出小觸手緊緊握住對方，搭出螺旋向上的階梯。

從這個角度來看，納米生物學實驗一下子變成了媽媽織毛衣。只要將序列互補的DNA丟在一起，它們自然會組合出成果。不需要粘合劑，不需要楔子和釘槍，化學承擔了所有工作。線頭互相纏繞，毛線延伸的方向千變萬化，可以彼此正著纏、反著纏、夾花兒纏。

編織毛衣的“毛線”從DNA上切割下來，刀子則是限制酶。被切下的長長DNA縷（strand）并不像毛線那樣光滑，而長著大大小小蜈蚣腳式的尖端。那些格外突出的尖端被稱作黏狀末端，顧名思義，可以在未來的編織中起到粘連的作用。它們是毛衣的線頭。

通過織毛衣式的人工合成，1982年，西曼獲得了一副DNA編就的井字花。實際上，30年來，這個領域的成果圖仿佛一本大型毛線手工書。

西曼和他的后繼者不斷使用新的編碼，改變切割的長短，變換纏繞的方式，制造出花樣繁多的DNA分子結構成果。有連續(xù)不斷如羅馬地磚式的2維圖案，也有3維的繡球，甚至可以在分子平面上排列出一個笑臉。DNA的“毛線”恪盡職守地排列組合，仿佛運動會開幕式上的團體操表演。

DNA人工合成物不僅能組成靜態(tài)的圖案，還能造就可以自主動作的機器人。人類能通過編碼來設計合成物的運動方式。

這同樣少不了自然的幫忙。DNA是編碼的天然材料。它能儲存大量信息，因此可以被設計進行活動。編碼的基礎簡潔明了——序列。此外，很多信號能夠被轉化成自然信號。

錢璐璐團隊的機器人擁有兩只“腳”，一條“手臂”和一只“手”。它活動在一個一個特殊的分子表面上，這個平面由短促的DNA合成物組成，像一塊釘板。釘子上散落安放著需要被分類的小球。

機器人的腳和釘子上都被安放了DNA片段。序列互補，片段彼此吸引，腳就在釘子上踩實了。長條狀的機器人從而穩(wěn)穩(wěn)地攀上釘子，像一只蛇蜿蜒爬上短樁。

通過編碼，兩只腳不能同時踩在一顆釘子上。當機器人行動時，它只需用閑著的那只腳攀上想到達的那顆釘子，踩在原來釘子上的腳就會自動松開。它悠游在釘板上，像深草間躍動的一只彈簧。

機器人對小球的分類同樣是依靠序列的幫忙實現(xiàn)的。小球上帶有兩截DNA片段，一截吸引機器人自由晃動的手掌，從而能被拾起。一截吸引目的地的釘子，從而能被放下。兩種不同顏色的貨物要被送到不同的目的地，因此配對的標記不一樣。

工作時，機器人被設計遵循最簡單的行為法則：亂逛、隨緣。你家的掃地機器人滿屋亂轉，遇到灰塵就吃掉，DNA機器人也如此。手里空空時，遇見貨物就撿起來。拿著貨物時，遇到目的釘子就放下。

“這樣的漫游不會耗費一點兒能量。”錢璐璐說。

“真是美麗的工作?！币晃换瘜W家在自己的視頻網站頻道對此評價道，“說起機器人，總會想到機械控制和電腦，而她們看到了其他的方向、自然的一面?！?/p>

DNA機器人搬“珠子”，準確率接近百分百

“它們可以抵達人類到不了的地方。機電機器人被送去火星，它們則可以被送到血液循環(huán)里，精準運輸送達藥物?！卞X璐璐對媒體表示。

錢璐璐團隊的“彈力繩”并不缺少同類。近10年間，科學家運用人工合成DNA制造出了不同功能的分子機器人。

一個長得像帶蓋小水桶的家伙可能是打擊癌癥的最新武器。2012年9月，韋斯生物啟發(fā)工程研究所在《科學》上發(fā)表論文，推出了一種新型DNA機器人。

水桶內盛放著藥物，水桶外壁裝著鎖——雙螺旋緊緊纏繞，筒體的兩部分因而牢牢閉合，保證藥物不灑出來。

打開鎖的鑰匙是一種特定的蛋白。一旦鎖上的一小縷DNA識別到了這種蛋白，會轉而附著在上面，從而松開鎖體的螺旋，打開整個水桶。

研究者希望，它可以在人體的海洋中游走，安然繞過健康的組織，穿過鮮紅的血液洪流，只有與黑壓壓的病變細胞正面交鋒時，才被激發(fā)，吐出深藏在胸中的炮火。

這種精準而有效的攻擊，使它更像一臺人體內的殲擊機，區(qū)別于傳統(tǒng)癌癥化療的無差別攻擊。

目前，這些DNA機器人還只能在試管中活動，遠談不上進入人體治病。澳大利亞莫那什大學的納米生物學專家陳文龍曾在接受媒體采訪時對錢團隊的工作大加贊賞，但他同時也表示：如果機器人貿然進入人體，合成DNA攜帶的基因編碼很可能會擾亂人體本來的基因信息。

科學家的工作重心正集中在怎樣讓這些小家伙步子邁得更快一點。

今年春天，中科院上海應用物理研究所與華東師范大學的團隊合作，在《應用化學》發(fā)表論文，介紹了他們構建的一種新機器人，能夠通過核酸外切酶驅動，實現(xiàn)更高效的行走。

錢璐璐團隊則采取了集團作戰(zhàn)的戰(zhàn)術。單個機器人做完兩種顏色12顆“珠子”的分類需要一整天。他們繼而往這片“工地”增加更多的機器人幫手。DNA機器人各走各道，效率大大提高，一天的工作被縮短到了幾個小時，準確率保持在接近百分之百。

這也是DNA機器人研究一直以來的一個思路：個體力量再小，團結起來也威力無窮。

未來，錢璐璐希望能模仿集體出動完成任務的螞蟻，讓機器人留下能被同伴辨識的信號，從而提高漫游不準確的效率。

“很多（DNA機器人）在未來可能的應用目前還屬于科幻小說的范疇?！卞X璐璐說。

生命也是一個程序，自然是寫就它的程序員

“盡管它們目前仍然又緩慢又簡單，DNA機器人已經顯現(xiàn)出超越微電子機器人的種種優(yōu)勢了。”杜克大學的約翰·賴夫表示。

他經歷了DNA研究的分岔口。上世紀末，DNA與數(shù)據(jù)天然緊密的關系，讓不少科學家堅信能制造出一臺DNA計算機。但經過不斷實驗，他們中的一些感到越來越深重的懊惱：自己的成果遠遠趕不上已經存在并仍在飛速發(fā)展的微電子計算機。

他們提出：應該讓DNA做自己最擅長的工作，在有機組織或其他類似的環(huán)境里進行數(shù)據(jù)處理。微電子電腦可去不了那里。

錢璐璐實驗室的年輕團隊是這波潮流的最新繼任者。他們中有醉心于 “不存在于自然中卻和自然造物一樣復雜”合成物的化學家，也有獲得了醫(yī)學博士學位的程序員。這個實驗室共同的興趣是：編碼。

在制造機器人的過程中，他們總在提醒自己：簡單、更簡單一點。機器人的算法盡量簡單，工作的邏輯遵循“是”或“否”的簡短流程。連形態(tài)都是一個簡單的線條，沒有千絲萬縷的編織造型。

這是因為：“越簡單，越可能被作為基礎，添加上各種新的功能。”他們的目標不是把某項具體任務做到盡善盡美，而是開發(fā)盡可能多的綜合用途。

“我和我實驗室的興趣，是建造這些原子機器人的工程原則?！卞X璐璐說。

利用工程原則，程序員和工程師打造了一整個微電子世界，從小小的轉化器到我們所熟悉的各種機器人。同樣，分子生物世界也可以從簡單到千變萬化。

在錢璐璐眼中，生命也是一個程序。自然是寫就它的程序員，分子是搭載它的平臺。不同的程序序列，能制造出昆蟲、細菌或者小貓咪。

然而，我們對生命這個程序的應用仍然十分有限?！懊刻煊谐^1000種iPhone應用誕生，分子的‘應用’數(shù)量卻遠遠不及?！?/p>

“人類能有機會利用整個分子生物系統(tǒng)的編程空間嗎？”錢璐璐在2016年的一次演講中自問。

她在加州理工大學的個人頁面上寫道：“自然蘊藏著我們所尋覓的所有美麗和真理，但尋求的旅程還需要被心中的火焰所照亮?！?/p>