一條腿，兩只腳，一條胳膊，一只手，身高僅20納米的DNA機(jī)器人正在工作。

它每邁一步的距離是6納米，是人類步長的億萬分之一。別看這一步，DNA機(jī)器人需要5分鐘來完成。遇到目標(biāo)“貨物”時(shí)，DNA機(jī)器人的“手”會抓起，將其放至目的地。

上述的場景已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)。當(dāng)?shù)貢r(shí)間9月14日，美國加州理工大學(xué)助理教授錢璐璐的實(shí)驗(yàn)室在《科學(xué)》雜志發(fā)文，介紹了這一具有分揀功能的DNA機(jī)器人，其遞送貨物的成功率為80%。

“就好像電子機(jī)械機(jī)器人被送到火星等太遙遠(yuǎn)而人類不能及的地方，我們希望有一天可以將分子機(jī)器人送到太微小而人類不能及的地方，比如說血液里。”錢璐璐說。

錢璐璐

這一研究成果為通用型DNA機(jī)器人的應(yīng)用帶來諸多可能性。可能有一天，它能對垃圾的分子進(jìn)行分類回收。更科幻些，也許，DNA機(jī)器人可以在探測到特定疾病信號時(shí)將藥物分子運(yùn)輸?shù)窖褐谢蚣?xì)胞中指定的地方，在極微小的尺度里完成醫(yī)生和普通藥物無法完成的任務(wù)。

什么是DNA機(jī)器人?

DNA機(jī)器人實(shí)則是一個DNA單鏈分子，當(dāng)它沒有和其他分子結(jié)合時(shí)，就像“一條軟繩”。在錢璐璐實(shí)驗(yàn)室的DNA機(jī)器人僅由53個核苷酸組成。

DNA的中文名是脫氧核糖核酸，如人所知，DNA是雙螺旋結(jié)構(gòu)，也就是說是兩條DNA單鏈通過兩兩配對(A-T，C-G)的堿基，形成螺旋狀的梯子似的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)DNA的獨(dú)特化學(xué)和物理特性，科學(xué)家可以對其進(jìn)行編程。而DNA機(jī)器人就是一條具有特定堿基序列的單鏈DNA，它根據(jù)堿基互補(bǔ)配對原則，和周圍的另一條DNA單鏈結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)二維空間中的“行走”和“分揀”。

DNA機(jī)器人分類揀選兩類貨物的概念圖

DNA機(jī)器人是如何工作的?

錢璐璐實(shí)驗(yàn)室對DNA機(jī)器人進(jìn)行測試的場所是一個58納米×58納米的大分子表面，上面設(shè)置有上百個“樁子”。這些樁子是DNA機(jī)器人得以行走的重要幫手。每個樁子實(shí)則也是一條DNA單鏈，它們與DNA機(jī)器人的“腿”和其中一只“腳”堿基互補(bǔ)。換而言之，機(jī)器人DNA會和樁子結(jié)合，相當(dāng)于機(jī)器人“踩”在了樁子上。

但怎么在不同的樁子之間移動呢?別忘了，DNA機(jī)器人有兩只腳，當(dāng)一只腳和樁子結(jié)合時(shí)，另一只腳是可以自由活動的。隨機(jī)的分子波動會使得自由的那只腳“夠”到另一個樁子，進(jìn)行下一次的配對，實(shí)現(xiàn)空間移動。從中，此前的那只腳隨之恢復(fù)自由。在這一循環(huán)往復(fù)的過程中，DNA機(jī)器人可以在沒有能量供應(yīng)的情況下，進(jìn)行隨機(jī)的移動。

途中，一旦DNA機(jī)器人碰到“貨物”，就會用“手”抓住，帶著貨物一起行走。抓取貨物和行走的原理有異曲同工之妙，貨物實(shí)則是連接在一段DNA單鏈上的分子，而這段DNA單鏈又和機(jī)器人“手”堿基互補(bǔ)。

機(jī)器人運(yùn)載著貨物，需要將其放置在目的地。這依賴于示意機(jī)器人放下貨物的“信號”，一旦接到這一“命令”，機(jī)器人就會遵從。如果一直沒有遇到這一“信號”，機(jī)器人就會攜帶貨物保持行走。

實(shí)驗(yàn)人員測試了DNA機(jī)器人分揀兩種熒光分子的表現(xiàn)，在24小時(shí)內(nèi)，機(jī)器人成功將散布在不同地方的6個熒光分子運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)。

“雖然我們只演示了用DNA機(jī)器人來完成一個具體的任務(wù)，但我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)其實(shí)可以完成更廣泛的任務(wù)，比如說將十多種而不只是兩種不同的分子貨物分別運(yùn)輸?shù)讲煌牡攸c(diǎn)，這些貨物可以被散布在大分子表面任意的地方。”第一作者AnupamaJ。Thubagere說，“而且每個大分子表面可以有不同數(shù)量的機(jī)器人去完成難度不同的任務(wù)，這些任務(wù)可以被并行執(zhí)行”。