这是一种以 DNA 为原始材料来设计、组装并运行的软机器人新材料,它可以用自身新陈代谢来驱动,它也可以应用于生物检测,并且有望做成便携式的检测装置,并且也有望用于开发生物芯片等。这是一项材料学的突破。这项研究来自美国康奈尔大学生物工程和环境工程系教授罗丹的实验室,论文发表在《科学·机器人学》杂志(Science Robotics )。他接受了 DeepTech 的专访,详细介绍了此项研究的来龙去脉以及应用前景。


美国康奈尔大学教授发现类生命材料,DNA软机器人以新陈代谢为驱动

图丨该图显示,从 DNA 双螺旋分子开始逐级有层次组装,最后形成宏观的有结构的类生命材料;在人工新陈代谢驱动下,可以自主逆流而上。(来源:SCIENCE ROBOTICS)


众所周知,DNA 是生物遗传材料,然而 DNA 也能作为纳米级别的建筑材料,罗丹实验室近二十年前就率先合成了树枝状 DNA,并将其引入分子检测,实现了 DNA 的纳米条形码;它还可以和抗体链接,形成 DNA-抗体杂化分子,后者有望在高通量核酸检测和靶向治疗方面广泛应用。


同时,罗丹实验室创造出宏量的 DNA 水凝胶,可以广泛应用于药物传递和细胞三维培养,如今已经利用 DNA 水凝胶制造出蛋白质,能够实现在无细胞系统生产大量的活性蛋白质,包括那些活细胞无法生产的蛋白质,这为药物筛选和蛋白制药提供了一条崭新的途径。另外,罗丹实验室还设计研发出一种自然界不存在的超材料,DNA 超胶,后者具有既是固体又是液体的特征,其动物实验显示,DNA 超胶能激发小鼠的天然免疫机制从而抑制小鼠的肿瘤生长。


这次 DNA 软机器人材料正是在上述研究基础上做出的。


此次罗丹团队提出了一种全新的概念:类生命材料,将人工新陈代谢赋予给 DNA 水凝胶。


虽然这种“类生命材料”是次实现,还处于雏形阶段,但已经能够自发形成有层次、有组织的形状,并能自主地逆流运动,甚至和另外的“类生命材料”赛跑。


这种“软机器人”材料可以从 55 个核苷酸碱基的 DNA 分子增殖形成几毫米长的 DNA 水凝胶,这种胶体通过首端生长、尾端降解获得动力,从微流系统中获得“营养”,实现“人工新陈代谢”从而自主运动。


罗丹表示,期望“类生命材料”的诞生能够开拓一个新领域,并在生物医学上实现其它材料难以企及的应用。


美国康奈尔大学教授发现类生命材料,DNA软机器人以新陈代谢为驱动

图丨 DNA 软机器人的原理。(来源:SCIENCE ROBOTICS)


问:罗教授,你们为何选择 DNA 材料作为研究课题呢,可否介绍一下这次研究的背景?


我选择这个领域已经 20 年了。我在康乃尔大学化工系做博士后的课题之一是用多聚物材料做药物递送载体,就是用多聚物来递送 DNA 药物。后来自己留校独立以后,马上就想到 DNA 本身就是多聚物,我为什么要用其他多聚物来递送 DNA 呢?能不能把 DNA 当作多聚物来用呢?


其实多聚物有一个非常重要的特点,就是其拓扑结构。如果要想把 DNA 当作多聚物的话,我必须创造不同的 DNA 拓扑结构。而我博士论文研究课题之一正好是 DNA 拓朴异构酶,所以结合这些基础,我自己实验室的篇论文就是关于发明树枝状拓扑结构的 DNA 材料,发表在《自然·材料学》杂志(Nature Material)。


做完这个研究以后我发现,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结构,它就可以自己连接起来,那么连起来的 DNA 分子在水溶液里就是一种胶。于是我们完成了世界上个完全用 DNA 做成的水凝胶。


进而,我们认为可以把基因给放到 DNA 水凝胶的骨架上,这样基因就不会扩散出去,所以在中心法则(注:遗传信息从 DNA 传递给 RNA,再从 RNA 传递给蛋白质,即完成遗传信息的转录和翻译的过程)下,你就可以在无细胞系统中生产出蛋白,也就是说可以只用 DNA 水凝胶来生成蛋白质,而不用活细胞。要知道,很多蛋白对细胞实际上是有毒性的,并且细胞不会让某一种蛋白过量生产,而用 DNA 水凝胶的无细胞系统来生产蛋白质就不会有这样的限制。


于是这个无细胞系统就成为了一个非常有应用前景的项目。后来我们还做了一种超材料(Metamaterials), 超胶,既是固体又是液体的胶,它可以激发天然免疫系统,做成抗肿瘤药物。


DNA 软机器人材料这个课题有些歪打正着。我们当时想做的是生物检测芯片,就是说血液或尿液流过的时候,芯片接触到有病原菌的 DNA 就会发不同的光,这样的话在显微镜下检测有什么光,就会知道有哪些感染。


但是我们在此研究过程中,我们突然发现 DNA 在这个微流系统中像渔网一般缠绕起来,这些缠绕的 DNA 可以形成不同的图案。然后我们就想到要把 DNA 材料做成类生命,是什么意思呢?就是让它有人工新陈代谢。


生命还有一个特征就是从细胞到组织,再到器官、系统,它有一个层次组装的结构。DNA 也是从核苷酸到 DNA 长链,然后组成染色体,所以材料本身要有组装,自主形成层级结构。


人工新陈代谢需要有调控的合成和降解。DNA 合成和降解很容易实现,现在关键就是你怎么把它们有机调控起来,尤其是要有反应时间和反应空间的控制,就像城市的自来水管或者高速公路,我们尝试将其设计成一种有反馈有调控的结构。


这样 DNA 在前方合成、后面降解,可以用最基础的流体力学的计算机模拟,所以我们就设计了这种很微小的管道系统,把合成速度加快,降解的速度稍微慢一点,它整个结构就开始自动往前走。如果你合成的速度和降低速度都一样的话,那就停留在原地了。


正好我的一个博士后是系统工程的博士,做过机器人研究,所以就很容易和软机器人联系起来了。


问:DNA 软机器人应用前景是我们很关心的一个问题。


比如生物检测。DNA 软机器人系统不同于荧光检测,不需要定量检测(当然将来也可以做到定量检测),只需要看到有目标渔网结构出现,肉眼或智能手机就可以识别,那么就是检测出目标 DNA 了。


这个检测系统的优势是便捷,是便携式的检测装置,你可以像血糖仪一样随时随地使用。我们正在实现用智能手机来检测。


这个系统也可以用于生产蛋白质,也就是在时空控制下进行无细胞蛋白质生产。这是一个更加高效的蛋白质生产系统,因为如果用传统的细胞,首先需要培养细胞,而且每个细胞自己要生产数万种蛋白质,你要的蛋白不可能被大量生产;而我们的无细胞系统就只生产一种我们要的蛋白,这就让系统的所有能量都只用于生产这种蛋白,能量被高效地利用了。我们现在已经生产出 60 多种蛋白,而且都有活性。


问:如何理解这个 DNA 软机器人系统的进化属性?


我们希望这种材料可以进化。如果这个材料有人工新陈代谢,又可以自我复制,那么它进化的可能性就存在了。同时因为你可以勘错,可以设计,还可以控制代时(每代的时间),这种人工进化就值得进一步去探索。


问:你们在这个领域有商业化尝试了吗?


现在还没有。这是世界上实现类生命材料,属于最早期的研究,需要进一步地开拓。我们正在申请最基础的专利,至于以后商业用途,就得看它从哪个方向发展出来。我曾经长期担任康奈尔大学的技术转移顾问委员会委员,对产业化技术转移还是比较熟悉的。


罗丹说,数十亿年前,生命也是从几种分子进化而来的。“虽然我们并未制造一个活物,但这比以往的材料更像生命,且未来具有自我进化的可能性”。


研究人员还让不同“软机器人”展开“赛跑”,由于环境的随机性,其中一个会最终胜出。他们还在开发能对外界特定刺激(比如光或食物等)做出特定反应的类生命材料。未来这种“类生命系统”有望用来开发生物芯片进行基因检测,还可用于无细胞体系来生产活性蛋白质。

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