DNA機器，前進吧

2016年諾貝爾化學獎頒給了三位研究分子機器的化學家，獲獎理由是“分子機器的設計與合成”。他們通過有機分子合成制造了分子機器，把科幻照進了現(xiàn)實。如今利用可編程的生物材料——DNA，生物化學家和生物物理學家創(chuàng)造出具有各項功能的DNA機器。來看看這些前沿實驗室里他們搗鼓出了什么，DNA機器人？他們會滿足于此嗎？

作者 | 尼娜·諾特曼（科學作家）

翻譯 | 繼省

核酸構(gòu)成的機器漸入佳境。

——尼娜·諾特曼（Nina Notman）

人體內(nèi)有數(shù)以百萬計的分子馬達以及各類“機器”——這些機器維持了我們肺部的呼吸、心臟的跳動、大腦的思考、消化系統(tǒng)的蠕動……“生命就是這么神奇。在生命的微觀水平上，有各種各樣不可思議的功能。我們了解得越多，就越想把這些功能重演出來?！惫鸫髮W生物化學教授威廉姆·施（William Shih）如是說。

這一領(lǐng)域的研究者常提起的啟蒙之作，是1966年上映的科幻電影《神奇旅程》（Fantastic Voyage）。電影中有一艘潛艇，它和全體船員整體縮小后，被送入一位受傷的科學家體內(nèi)，修復他的大腦。這部電影給了人們一種希望——未來某一天，人造的分子機器也可以輕松進入體內(nèi)，完成藥物遞送、疾病診斷、手術(shù)操作等任務。分子機器還有醫(yī)學之外的用途，比如作為分析工具，或是化合物合成的納米工廠等等。

如今，用于搭建分子機器的材料有兩類：其一是合成有機分子，這一領(lǐng)域的先驅(qū)已在2016年榮膺諾貝爾化學獎；其二是生物材料，也就是本篇專題的核心內(nèi)容。

像兒童積木一樣

自然界主要用蛋白質(zhì)當零件來搭建分子機器，而研究者們則使用DNA。施解釋道，“相比蛋白質(zhì)，對DNA進行編程更容易制造出不同的形狀和功能?！?/p>

DNA把遺傳指令儲存在由四種堿基組成的序列中，序列中腺嘌呤（adenine,A）、胸腺嘧啶（thymine，T）、鳥嘌呤（guanine，G）、胞嘧啶（cytosine，C）沿著骨架排列。單鏈DNA總會自動組裝成雙鏈，而且方式可預測：A與T配對，G與C配對。德國慕尼黑技術(shù)大學生物物理學教授弗萊德里?！の髅桑‵riedrich Simmel）解釋說，當把DNA用作“建材”時，研究者可以把DNA鏈上的堿基序列視為一種代碼，代碼規(guī)定了DNA鏈的一部分一定會緊貼另一部分?！拔覀兓究梢院雎曰瘜W上的復雜性，因為所有的事情都是自動完成，簡化成一行代碼。”

最早想到用DNA作“建材”的人，是美國紐約大學的奈德·西曼（Ned Seeman），那是在上世紀80年代初。自那以后，一系列技術(shù)問世，用于構(gòu)建各種可以想象到的DNA結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)里就包括DNA折紙（DNA origami），這是美國加州理工大學的保羅·羅斯蒙德（Paul Rothemund）的腦洞：用短鏈DNA作“訂書釘”，把長的單鏈DNA折疊成復雜的三維形狀。他的團隊還制作了DNA瓦片（DNA tiles）和磚頭（DNA bricks），這些東西可以像搭樂高積木一樣組合在一起。

參考插圖：樂高型DNA結(jié)構(gòu)丨圖源：Science

在過去幾年里，DNA納米技術(shù)的兩大障礙——尺寸和穩(wěn)定性——得到了突破。慕尼黑科技大學生物物理學教授亨德里克·迪茨（Hendrik Dietz）表示，在這之前，設計超過100納米的自組裝DNA結(jié)構(gòu)非常困難。2017年來自加州理工的迪茨、尹鵬（譯注：現(xiàn)任職于哈佛大學）和錢璐璐，同時公布了三種不同的策略，這才打破了這道屏障。

DNA骨架帶負電荷，這意味著當折疊后的DNA彼此靠近時，它們會本能地互相排斥，導致結(jié)構(gòu)散開。在實驗室里，將DNA置于高度陽離子溶液就可以抵消排斥力。但是，人體并沒有給DNA提供這樣的理想樂園。人體內(nèi)，DNA結(jié)構(gòu)會遭受DNA酶的持續(xù)攻擊，這種酶生來就是降解DNA分子的。迪茨解釋說，“我們必須要做的，就是找到辦法來穩(wěn)定DNA折疊結(jié)構(gòu)。這樣當我們從實驗的理想條件轉(zhuǎn)移到實際應用時，這些結(jié)構(gòu)依然能保留下來。”迪茨的團隊和施的團隊近期都發(fā)展出了穩(wěn)定DNA結(jié)構(gòu)的手段，他們利用化學交聯(lián)的方法把DNA結(jié)構(gòu)連在一起?！艾F(xiàn)在終于可以讓這些結(jié)構(gòu)在體內(nèi)存在數(shù)周，或是更長時間了。”施說。

來一點兒“小搖擺”

單單是一個大型的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)還不足以成為機器：所謂機器，就要能移動。西蒙提到，雙鏈DNA類的剛性元件，加上單鏈DNA這樣的柔性元件，這兩者的混合體在布朗運動驅(qū)使下便可以四處移動。但是，讓它們以高度可控的方式運動極具挑戰(zhàn)性。

DNA的可預測和可編程屬性在自組裝過程中非常重要，也是DNA機器中的關(guān)鍵。2000年，時任貝爾實驗室研究員的伯尼·育克（Bernie Yurke）和英國牛津大學物理學教授安德魯·特伯菲爾德（Andrew Turberfield），合作揭示了首個指導DNA運動的手段：DNA-伴侶替換過程，即鏈置換反應。這一方法至今仍廣泛應用。特伯菲爾德解釋說，“這就是把雙鏈中的某一條鏈整體或者一部分，用帶有相同堿基序列的另一條鏈替換掉。”

例如，DNA步行者（walker），可以通過把雙鏈拉開再合上的方式反復進行“伴侶”替換，使得它的“雙腳”沿著一排帶有互補堿基對的“樁子”上下踱步。

2017年，加州理工學院的研究者證實，DNA運輸裝置可以利用鏈置換反應分選貨物。這種DNA“貨物分選員”可以在某個表面上游蕩，挑撿起廢棄的貨物，將它們分成不同的堆；像我們在家里收臟衣服一樣，把有色衣服和白色衣服各放一堆。

DNA機器所行走的表面，是由單鏈DNA聚集而成的二維DNA折紙結(jié)構(gòu)。貨物則是一些包含DNA“條形碼標簽”的單鏈DNA。機器人是一條單鏈DNA，由三部分組成：走路的“腳”，收集運輸貨物的“手臂”，和閱讀標簽的片段。

機器人會在表面隨機游走，直到撞上貨物。它會撿起貨物，繼續(xù)游蕩直到卸貨點。如果貨物條形碼與卸貨點匹配，機器會把貨物從手上解開放下?！皺C器人清楚每個貨物的去向；因為每個貨物都會有一個DNA條形碼，這些目的地里只會有一個與條形碼匹配?！奔又堇砉び嬎銠C科學家埃里克·溫弗力（Erik Winfree）解釋說。

這類機器最初得到證明，是用機器人分選帶有綠色和紅色熒光染色的DNA。不過，研究團隊指出，DNA機器也能分選其他小分子，包括適配體（aptamer，指一類通過折疊形成特定的三維空間構(gòu)型的單鏈核酸分子）、抗體、小分子化合物、金屬納米顆粒和蛋白質(zhì)。

“能把物體從A點運輸?shù)紹點是非常重要的?！笔┙忉尩?，“在電子裝置中，可以用電流改變機器狀態(tài)。與此類似，我們可以利用物質(zhì)的物理運動來完成相同的事情?！?/p>

加快進程

DNA貨物分選員干活兒非常慢，把6個染料分子分成兩堆要用24小時。為了加速這一過程，團隊使用了多個機器人同時工作。另一種辦法是讓機器從A點直達B點，而不是隨機游走。但是，說起來容易做起來難。為了在系統(tǒng)中制造前進的偏向力，有種辦法是使用短鏈DNA（在這里也被稱為化學燃料）來參與鏈置換反應?！斑@是一種設計不平衡反應網(wǎng)絡的工具”，發(fā)明這一概念的特伯菲爾德解釋說，“這是一個聰明的動力學技巧，可以使落在后面的那只腳比前面那只腳抬得更快。”

如今，施的實驗室正在使用化學燃料來為驅(qū)動DNA納米卡尺。這些納米卡尺在大分子周圍逡巡并展開測量。施表示，這些像夾子一樣的工具包圍在目標的不同部位，而它們在不同點覆蓋目標表面需要延伸放大的倍數(shù)，如此就標示了目標在該處的長度。終極目標是用這些工具來解析大分子的三維結(jié)構(gòu)，可能比現(xiàn)用的X射線晶體學等傳統(tǒng)解析工具都要快?！安槐卦僦苯訉Ψ肿舆M行成像，而是用這些小尺子去測量所有成對的點與點的距離，然后我們把這些距離數(shù)據(jù)輸入進結(jié)構(gòu)預測程序，程序便可以重建出分子的整體三維形狀，并且深入細節(jié)?！笔┙忉屨f。他正在與哈佛的同事衛(wèi)斯理·黃（Wesley Wong）合作開發(fā)這個工具。

用“力”

給DNA機器加速的手段還包括：改變?nèi)芤簆H值、添加離子、用光激發(fā)或是施加電場。西蒙的實驗室采用了最后這種方法來控制DNA機械手臂。西蒙說，改造后的機械臂比傳統(tǒng)DNA機器手臂運動快了10萬倍。

機械臂是一束剛性DNA雙鏈，通過單鏈DNA粘附在三維DNA折紙平臺上。單鏈DNA相當于靈活的關(guān)節(jié)，使得機械臂可以相對平臺旋轉(zhuǎn)。由于DNA帶負電荷，當系統(tǒng)受到電場作用時，機械臂向DNA移動。西蒙也向DNA折紙平臺中引入了一系列?？空军c，以此來增加對機械臂的位置控制。平臺和手臂有互相匹配的凸出短鏈DNA，當它們靠近時便可配對，將手臂鎖住不動。

西蒙實驗室證明，這一手臂可以在平臺上運輸有機熒光染料和金納米桿。他解釋道，這個貨物運輸裝置可以作為工廠流水線的分子版本，由外部操作者發(fā)出指令，指導分子快速構(gòu)建。

變大我吧

DNA機器的另一個潛在應用是用于控制宏觀尺寸的機器人。“我的課題組正在制造可以整合傳統(tǒng)軟材料（如水凝膠）和驅(qū)動其運動的動態(tài)DNA元件的機器?！比鹭惪āな媛≧ebecca Schulman）說，她是美國約翰霍普金斯大學的生物分子工程教授。這些機器人尺寸在10微米到10毫米之間。

舒曼實驗室的水凝膠使用DNA雙鏈固定，而沒有用傳統(tǒng)的小分子交聯(lián)劑。她說，“我們的材料包含聚丙烯酰胺，它們通過雜交DNA實現(xiàn)物理交聯(lián)?！彼膱F隊使用鏈置換反應來脹大水凝膠，將大量的發(fā)卡形狀的DNA分子插入到DNA雙鏈交聯(lián)結(jié)構(gòu)中，使得結(jié)構(gòu)延伸，從而導致水凝膠生長。舒曼說，“這種材料生長時，尺寸的變化非常顯著。我們把材料的體積放大了100倍。”

團隊現(xiàn)在正利用這一現(xiàn)象，通過控制不同部位的膨大時機，來實現(xiàn)控制宏觀尺寸機器人的運動。他們把不同種類的DNA水凝膠放在設備的不同部位上。每個水凝膠所交聯(lián)的DNA雙鏈里都包含不同的堿基序列，它們只會響應序列匹配的DNA發(fā)卡。利用這種方式，團隊實現(xiàn)了在水凝膠“花朵”上指定“花瓣”的折疊，也制造了一只水凝膠“螃蟹”，它的觸角、鉗子和腿都可以響應不同的DNA發(fā)卡結(jié)構(gòu)而發(fā)生彎曲。

水凝膠螃蟹丨圖源：約翰霍普金斯大學瑞貝卡·舒曼實驗室主頁

團隊的終極目標是，設計出可以響應外界刺激后自主運動的機器人。為了向這一目標邁進，團隊正在設計可以釋放DNA發(fā)卡的感受器，使裝置可以在特定小分子的刺激下發(fā)生移動。舒曼說，“這不僅對機器人來說是很初始的一步，對控制器也是?！?/p>

自主運動裝置的應用可能作為一種智能捕獲裝置，可以探測化學梯度并沿此移動。“擁有對遠處化學信號作出反應并移動的能力，機器人就可以找到并撿拾特定類型的細胞或者碎片。這種機器人可以開展生物活檢，或者保證物質(zhì)表面極度清潔?！笔媛f道。

指示時間

在美國加州大學洛杉磯分校艾麗莎·弗朗克（Elisa Franco）的實驗室，正聚焦于自主性DNA機器的時間控制。她解釋說：“我感興趣的是，理解如何使DNA納米結(jié)構(gòu)響應刺激后改變形狀，以及如何使這種形狀改變在定期內(nèi)規(guī)律地發(fā)生?！?/p>

2019年，她的實驗室展示了可以節(jié)律性地組裝和解離的DNA納米管。納米管的基礎材料是DNA瓦片，瓦片上有多條單鏈DNA。當來自于不同瓦片的DNA單鏈互補鏈配對成雙鏈，納米管組裝開始；而當“入侵鏈”到來并破壞原有配對后，納米管發(fā)生解離。之后，通過“反入侵鏈”來將已結(jié)合的入侵鏈替換掉，便可引發(fā)DNA納米管的重組裝，使得DNA瓦片再次自由形成納米管。弗朗克說，“我們現(xiàn)在有納米尺寸的單體，它們可以在幾分鐘內(nèi)就長成微米級的管狀結(jié)構(gòu)?！?/p>

研究者受到了細胞骨架的啟發(fā)，后者是細胞分裂過程中周期性生長的管狀網(wǎng)絡。弗朗克說，“我們想要同樣的動作反復進行?！比肭宙満头慈肭宙溈梢灾芷诜磸偷厝斯ぬ砑拥较到y(tǒng)里，來控制組裝和解離。但是，為了實現(xiàn)自主控制，團隊將系統(tǒng)與一個合成的分子振蕩器結(jié)合，利用這個振蕩器調(diào)控兩種DNA鏈的釋放。

振蕩器包括一個負反饋基因環(huán)路和兩個酶。環(huán)路由兩個分別編碼入侵鏈和反入侵鏈的合成DNA基因形成；兩個酶則分別是負責制造入侵鏈和反入侵鏈的RNA聚合酶，另一個是可以降解兩種鏈的核酸酶?；虻恼袷幮袨橛扇肭宙満头慈肭宙湹闹芷谛援a(chǎn)生和降解來驅(qū)動。

弗朗克希望，這些納米管最終能被用到有功能的人造細胞里。她說，“此刻，我們正試著將這個系統(tǒng)包裹到水滴中。液滴是細胞的一種最小等價結(jié)構(gòu)，我們正在研究如何搭建全由DNA組成的人造細胞骨架?！?/p>

進入工廠

DNA機器的設計師也受到了另一種細胞機器的啟發(fā)——核糖體。核糖體是分子型的蛋白工廠，沿著信使RNA（messenger RNA）鏈移動，將氨基酸（帶有轉(zhuǎn)運RNA分子標簽）依據(jù)信使RNA堿基序列中編碼的信息，依次組裝到一起。

研究者將同樣的概念來指導多聚物的合成。特伯菲爾德表示，“我們和伯明翰的蕾切爾·歐雷麗（Rachel O’Reilly）團隊一道，正在開發(fā)分子機器，用于基因編程的多聚物合成?！痹谶@種設定下，人工合成的DNA鏈將扮演信使RNA和轉(zhuǎn)運RNA的角色，合成的單體則替換了氨基酸。特伯菲爾德解釋說，“我們得到了一系列不同的零件，這些零件會被與轉(zhuǎn)運RNA類似的DNA識別。我們的機器由基因編程，它會識別接頭（adapter）序列，把這些零件搬運到多聚物生長的場所附近，強制它們以設定好的順序進行反應。”

這種自主的系統(tǒng)已經(jīng)將多種天然和非天然的零件連接到了一起：使用多肽鍵和碳雙鍵將零件相連，甚至不需要進行純化。特伯菲爾德樂觀預計，這一技術(shù)會在制藥行業(yè)得到應用，用于快速合成大規(guī)模組合文庫來發(fā)現(xiàn)藥物前體。他們的想法是在一個反應器中，制造出由基因編程的萬億級數(shù)量分子的“一鍋靚湯”，并且DNA標簽依然貼附在這些分子上。這鍋湯接下來會用于篩選藥物靶點；一旦發(fā)現(xiàn)了陽性的反應，DNA標簽便可用于識別引發(fā)反應的分子。

DNA已經(jīng)成功地向人們證明它可以作為可編程的工程機器，然而，這一領(lǐng)域的很多研究者都預計DNA最終會成為過去時。它會被新的天然和人造材料所取代。這些新材料同樣能自我組裝，但卻擁有更強更有用的功能，比如帶有電磁特性。施說，“DNA在這段歷史上是一個示范性的材料，我們可以用它來測試打包生命各項功能的各種想法，但最終我們還是要把花樣投入到其他材料中。”

迪茨同意這一觀點，“在物理學上，我們常常遵循這樣一種哲學：先拿一個簡單系統(tǒng)去盡可能學習，然后再去逐漸探索更復雜的東西?！?/p>

參考資料

1 原文：https://www.chemistryworld.com/features/dna-machines-get-a-move-on/4012993.article

2 https://science.sciencemag.org/content/338/6111/1159.full