Science:华裔年轻女科学家发明能分拣货物的DNA机器人
2017/09/18
华裔女科学家钱璐璐的研究团队利用DNA制造出了一种新型的机器人,可以执行复杂的纳米机械任务——货物分拣。这种微型机器人在执行化学合成、药物运输上有着巨大应用潜力。相关文章发表在9月15日的Science上。


图片来源Science文献

自20世纪80年代以来,分子机器的设计和合成都被认为是分子工程的重大挑战。DNA分子是构建分子机器人的优良材料,因为它们的几何、热力学和动力学性质都很好理解,并且可以被编程。科学家们越来越多地利用DNA在极小的尺度上构建新结构,希望构造出来的结构可以用来在体内传送药物或传送基因编辑工具。但是到目前为止,DNA机器人的发展仅限于简单的功能。现在,研究人员利用DNA制造出了一种新型的机器人,用来在最小的尺度上移动和提升货物。相关文章发表在9月15日的Science上。


钱璐璐 图片来源加州理工大学网站

文章通讯作者是加州理工大学的助理教授钱璐璐。钱璐璐以前是上海交大贺林院士的学生,以国内博士毕业的背景获得了美国的教职。在新闻发布会上她解释说:“就像机电机器人被送到像火星那样遥远的地方,我们要把分子机器人送到极小的、人类不能去的地方,如血液循环系统。我们的目标是建立一个可以执行复杂的纳米机械任务——货物分拣的分子机器人。”

能够分拣货物的DNA机器人是什么样的


DNA机器人三部分与货物作用的简图 图片来源Science文献

研究人员目标是创造出一种能够在指定空间内拾取和排序分子的机器人。为此,他们用单链DNA创建了一个有三部分的结构。为了帮助它在指定的空间内移动,机器人有一条“腿”和一双“脚”;有“手”一样的“手臂”允许它携带货物;被添加上去的第三个组件可以让DNA机器人到达一个特定的点时,知道释放货物。DNA机器人识别分子货物和卸货是通过简单的算法实现的。该机器人无需任何能量供给即可进行随机行走。

DNA机器人功用测试

为了测试他们的机器人,研究者们创建了一块板,上面有一条条的单链DNA,机器人可以用一只脚绑住其中一根;同时,另一只脚会自由摆动,直到它在板上找到另一根。以这种方式移动,机器人需要五分钟才能迈出六纳米的一步。


DNA机器人分拣货物示意图 图片来源Science评论文章

在58 纳米长、 58 纳米宽的平板上,当机器人碰到货物——荧光黄和粉红色的染料分子时,能够把它捡起来,根据颜色将它送到指定的位置。机器人的设计是在所有的货物被分类完毕之前继续这个过程。24个小时后,微型机器人成功地将三个粉红色和三个黄色分子排序。经过多次重复后研究人员创造出的机器人,有80%的机会准确地运送货物。

微型机器人,大应用

据研究人员介绍,他们的机器人可以通过许多不同的方式工作。比如几个机器人可以在同一区域工作,而不干扰其他的任务;或者他们可以被设计为相互作用。然而,为了让机器人更有用,他们需要工作得更快一点。研究人员提出向机器人添加“尾巴”或马达也许能加快速度。

另外通过机器人之间的简单通信,他们可以完成更复杂的任务。通过开发模块化和集体化的分子机器人,用系统化的方法,分子机器人最终可以像宏观机器人那样容易编程,但可以在微观环境中工作。

本期Science上为这篇文章撰写评论的John H. Reif指出该文章主要的进步是在研究者的方法论上。他认为类似的系统应该能够执行更复杂的任务,例如并行执行化学合成。

虽然钱璐璐在新闻稿中指出她的实验室工作侧重于理解工程学原理,开发的是通用的DNA机器人。她希望其他研究人员将能找到应用的程序。例如,用DNA机器人在人造的分子工厂中来组装化学药物,或者在探测到特定的疾病信号时,将药物分子运输到血液中或者细胞中指定的地方。甚至可以将垃圾的分子成分分类回收。

参考资料

1)A cargo-sorting DNA robot

2)DNA robots sort as they walk

3)Nanobots Made of DNA Can Now Carry and Sort Molecular Cargo

4)Programming DNA for Molecular Robots: An Interview with Lulu Qian

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  • A cargo-sorting DNA robot

    Two critical challenges in the design and synthesis of molecular robots are modularity and algorithm simplicity. We demonstrate three modular building blocks for a DNA robot that performs cargo sorting at the molecular level. A simple algorithm encoding recognition between cargos and their destinations allows for a simple robot design: a single-stranded DNA with one leg and two foot domains for walking, and one arm and one hand domain for picking up and dropping off cargos. The robot explores a two-dimensional testing ground on the surface of DNA origami, picks up multiple cargos of two types that are initially at unordered locations, and delivers them to specified destinations until all molecules are sorted into two distinct piles. The robot is designed to perform a random walk without any energy supply. Exploiting this feature, a single robot can repeatedly sort multiple cargos. Localization on DNA origami allows for distinct cargo-sorting tasks to take place simultaneously in one test tube or for multiple robots to collectively perform the same task.

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