一種以DNA為原始材料來設(shè)計、組裝并運行的軟機器人新材料

這是一種以 DNA 為原始材料來設(shè)計、組裝并運行的軟機器人新材料，它可以用自身新陳代謝來驅(qū)動，它也可以應(yīng)用于生物檢測，并且有望做成便攜式的檢測裝置。

這是一項材料學(xué)的突破。這項研究來自美國康奈爾大學(xué)生物工程和環(huán)境工程系教授羅丹的實驗室，論文發(fā)表在《科學(xué)·機器人學(xué)》雜志（Science Robotics ）。他接受了 DeepTech 的獨家專訪，詳細(xì)介紹了此項研究的來龍去脈以及應(yīng)用前景。

圖丨該圖顯示，從 DNA 雙螺旋分子開始逐級有層次組裝，最后形成宏觀的有結(jié)構(gòu)的類生命材料；在人工新陳代謝驅(qū)動下，可以自主逆流而上。（來源：SCIENCE ROBOTICS）

眾所周知，DNA 是生物遺傳材料，然而 DNA 也能作為納米級別的建筑材料，羅丹實驗室近二十年前就率先合成了樹枝狀 DNA，并將其引入分子檢測，實現(xiàn)了 DNA 的納米條形碼；它還可以和抗體鏈接，形成 DNA-抗體雜化分子，后者有望在高通量核酸檢測和靶向治療方面廣泛應(yīng)用。

同時，羅丹實驗室創(chuàng)造出宏量的 DNA 水凝膠，可以廣泛應(yīng)用于藥物傳遞和細(xì)胞三維培養(yǎng)，如今已經(jīng)利用 DNA 水凝膠制造出蛋白質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)在無細(xì)胞系統(tǒng)生產(chǎn)大量的活性蛋白質(zhì)，包括那些活細(xì)胞無法生產(chǎn)的蛋白質(zhì)，這為藥物篩選和蛋白制藥提供了一條嶄新的途徑。另外，羅丹實驗室還設(shè)計研發(fā)出一種自然界不存在的超材料，DNA 超膠，后者具有既是固體又是液體的特征，其動物實驗顯示，DNA 超膠能激發(fā)小鼠的天然免疫機制從而抑制小鼠的腫瘤生長。

這次 DNA 軟機器人材料正是在上述研究基礎(chǔ)上做出的。

此次羅丹團隊提出了一種全新的概念：類生命材料，將人工新陳代謝賦予給 DNA 水凝膠。

雖然這種“類生命材料”是第一次實現(xiàn)，還處于雛形階段，但已經(jīng)能夠自發(fā)形成有層次、有組織的形狀，并能自主地逆流運動，甚至和另外的“類生命材料”賽跑。

這種“軟機器人”材料可以從 55 個核苷酸堿基的 DNA 分子增殖形成幾毫米長的 DNA 水凝膠，這種膠體通過首端生長、尾端降解獲得動力，從微流系統(tǒng)中獲得“營養(yǎng)”，實現(xiàn)“人工新陳代謝”從而自主運動。

羅丹表示，期望“類生命材料”的誕生能夠開拓一個新領(lǐng)域，并在生物醫(yī)學(xué)上實現(xiàn)其它材料難以企及的應(yīng)用。

圖丨 DNA 軟機器人的原理。（來源：SCIENCE ROBOTICS）

問：羅教授，你們?yōu)楹芜x擇 DNA 材料作為研究課題呢，可否介紹一下這次研究的背景？

我選擇這個領(lǐng)域已經(jīng) 20 年了。我在康乃爾大學(xué)化工系做博士后的課題之一是用多聚物材料做藥物遞送載體，就是用多聚物來遞送 DNA 藥物。后來自己留校獨立以后，馬上就想到 DNA 本身就是多聚物，我為什么要用其他多聚物來遞送 DNA 呢？能不能把 DNA 當(dāng)作多聚物來用呢？

其實多聚物有一個非常重要的特點，就是其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果要想把 DNA 當(dāng)作多聚物的話，我必須創(chuàng)造不同的 DNA 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而我博士論文研究課題之一正好是 DNA 拓樸異構(gòu)酶，所以結(jié)合這些基礎(chǔ)，我自己實驗室的第一篇論文就是關(guān)于發(fā)明樹枝狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 DNA 材料，發(fā)表在《自然·材料學(xué)》雜志（Nature Material）。

做完這個研究以后我發(fā)現(xiàn)，有很多酶可以去作用 DNA。比如，只要你把 DNA 多聚物做成黏性末端回文結(jié)構(gòu)，它就可以自己連接起來，那么連起來的 DNA 分子在水溶液里就是一種膠。于是我們完成了世界上第一個完全用 DNA 做成的水凝膠。

進而，我們認(rèn)為可以把基因給放到 DNA 水凝膠的骨架上，這樣基因就不會擴散出去，所以在中心法則（注：遺傳信息從 DNA 傳遞給 RNA，再從 RNA 傳遞給蛋白質(zhì)，即完成遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程）下，你就可以在無細(xì)胞系統(tǒng)中生產(chǎn)出蛋白，也就是說可以只用 DNA 水凝膠來生成蛋白質(zhì)，而不用活細(xì)胞。要知道，很多蛋白對細(xì)胞實際上是有毒性的，并且細(xì)胞不會讓某一種蛋白過量生產(chǎn)，而用 DNA 水凝膠的無細(xì)胞系統(tǒng)來生產(chǎn)蛋白質(zhì)就不會有這樣的限制。

于是這個無細(xì)胞系統(tǒng)就成為了一個非常有應(yīng)用前景的項目。后來我們還做了一種超材料（Metamaterials）, 超膠，既是固體又是液體的膠，它可以激發(fā)天然免疫系統(tǒng)，做成抗腫瘤藥物。

DNA 軟機器人材料這個課題有些歪打正著。我們當(dāng)時想做的是生物檢測芯片，就是說血液或尿液流過的時候，芯片接觸到有病原菌的 DNA 就會發(fā)不同的光，這樣的話在顯微鏡下檢測有什么光，就會知道有哪些感染。

但是我們在此研究過程中，我們突然發(fā)現(xiàn)DNA 在這個微流系統(tǒng)中像漁網(wǎng)一般纏繞起來，這些纏繞的 DNA 可以形成不同的圖案。然后我們就想到要把 DNA 材料做成類生命，是什么意思呢？就是讓它有人工新陳代謝。

生命還有一個特征就是從細(xì)胞到組織，再到器官、系統(tǒng)，它有一個層次組裝的結(jié)構(gòu)。DNA 也是從核苷酸到 DNA 長鏈，然后組成染色體，所以材料本身要有組裝，自主形成層級結(jié)構(gòu)。

人工新陳代謝需要有調(diào)控的合成和降解。DNA 合成和降解很容易實現(xiàn)，現(xiàn)在關(guān)鍵就是你怎么把它們有機調(diào)控起來，尤其是要有反應(yīng)時間和反應(yīng)空間的控制，就像城市的自來水管或者高速公路，我們嘗試將其設(shè)計成一種有反饋有調(diào)控的結(jié)構(gòu)。

這樣 DNA 在前方合成、后面降解，可以用最基礎(chǔ)的流體力學(xué)的計算機模擬，所以我們就設(shè)計了這種很微小的管道系統(tǒng)，把合成速度加快，降解的速度稍微慢一點，它整個結(jié)構(gòu)就開始自動往前走。如果你合成的速度和降低速度都一樣的話，那就停留在原地了。

正好我的一個博士后是系統(tǒng)工程的博士，做過機器人研究，所以就很容易和軟機器人聯(lián)系起來了。

問：DNA 軟機器人應(yīng)用前景是我們很關(guān)心的一個問題。

比如生物檢測。DNA 軟機器人系統(tǒng)不同于熒光檢測，不需要定量檢測（當(dāng)然將來也可以做到定量檢測），只需要看到有目標(biāo)漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，肉眼或智能手機就可以識別，那么就是檢測出目標(biāo) DNA 了。

這個檢測系統(tǒng)的優(yōu)勢是便捷，是便攜式的檢測裝置，你可以像血糖儀一樣隨時隨地使用。我們正在實現(xiàn)用智能手機來檢測。

這個系統(tǒng)也可以用于生產(chǎn)蛋白質(zhì)，也就是在時空控制下進行無細(xì)胞蛋白質(zhì)生產(chǎn)。這是一個更加高效的蛋白質(zhì)生產(chǎn)系統(tǒng)，因為如果用傳統(tǒng)的細(xì)胞，首先需要培養(yǎng)細(xì)胞，而且每個細(xì)胞自己要生產(chǎn)數(shù)萬種蛋白質(zhì)，你要的蛋白不可能被大量生產(chǎn)；而我們的無細(xì)胞系統(tǒng)就只生產(chǎn)一種我們要的蛋白，這就讓系統(tǒng)的所有能量都只用于生產(chǎn)這種蛋白，能量被高效地利用了。我們現(xiàn)在已經(jīng)生產(chǎn)出 60 多種蛋白，而且都有活性。

問：如何理解這個 DNA 軟機器人系統(tǒng)的進化屬性？

我們希望這種材料可以進化。如果這個材料有人工新陳代謝，又可以自我復(fù)制，那么它進化的可能性就存在了。同時因為你可以勘錯，可以設(shè)計，還可以控制代時（每代的時間），這種人工進化就值得進一步去探索。

問：你們在這個領(lǐng)域有商業(yè)化嘗試了嗎？

現(xiàn)在還沒有。這是世界上首次實現(xiàn)類生命材料，屬于最早期的研究，需要進一步地開拓。我們正在申請最基礎(chǔ)的專利，至于以后商業(yè)用途，就得看它從哪個方向發(fā)展出來。我曾經(jīng)長期擔(dān)任康奈爾大學(xué)的技術(shù)轉(zhuǎn)移顧問委員會委員，對產(chǎn)業(yè)化技術(shù)轉(zhuǎn)移還是比較熟悉的。