德国科学家利用DNA发明了超快型机械臂

德国慕尼黑工业大学的研究人员通过电场加速基于DNA构建的机器人系统，此举使DNA分子机器的移动速度比之前快了五个数量级。

在宣布之前，阻碍DNA分子机器快速运转的原因是这种分子机器的运转指令本身依赖于其它化学分子。

比如，之前大多数DNA分子机器都是通过各种DNA分子操纵运行的，包括用外加的DNA燃料链（fuel strands）进行DNA杂交，DNA剪切酶的作用，缓冲条件（如pH水平）的改变，或者使用像偶氮苯那样的化学光电开关，通过光来引发反应。

据慕尼黑工业大学（TUM）的教授 Friedrich Simmel（该研究的共同作者）说，由于种种原因，最终产生的分子机器运行非常缓慢，几乎所有机器都在分钟到小时的时间尺度上运转。

“与之前描述的机器人系统或装配系统相比，用电移动和定位元件要快得多，” Simmel说，“我们估计它比传统的DNA walker要快大约10万倍”。

Simmel承认一个装配系统的整体速度取决于元件的化学反应速度，以及释放/移动产物和定位新的反应物所需的时间。

为了使他们实验中的DNA达到这样的新速度并且避免使用分子信号，Simmel和他的同事从一个已有的分子自组装技术——DNA折纸开始。该技术使用的DNA链可以像折纸一样巧妙折叠。

来自慕尼黑工业大学的科学家使用DNA折纸技术构建了一个刚性平台，并用柔性接头连接了一条长臂（这些都是用DNA分子组成的）。这些结构被固定在一个特制的样品室的底部，里面装满了水，科学家们可以在此创造沿着平面往任意方向的电场。

因为DNA带负电荷，它可以使用电场操控，就像电泳一样。电泳就是分子在电场作用下穿过流体或胶体而转运。通过控制DNA的方向，科学家们能够诱导这条臂相对于平台产生任意的角运动。

“我们可以在平台上创造锚定点，” Simmel说，“然后我们可以使用电场将这条机械臂从平台的一个地方移到另一个地方。我们也可以在将机械臂放置在特定的锚定点之后将电场关闭，如果锚定作用足够强的话，它可以一直保持这样的状态。”

Simmel补充道，这种方法——不像之前引发DNA运动的技术那样——它不需要外加刺激因素或者改变缓冲条件。

“电动操纵DNA非常快，电场甚至可以用于减少DNA锚定作用的稳定性从而加速从平面上释放机械臂，” Simmel补充道。

当然，DNA属于生物系统，因此通常不会对电场产生良好的反应。Simmel强调道施加极高的电场会破坏机械臂的结构。但是，在这些实验中，操纵和移动DNA只需要低水平的电场即可。

据Simmel说，这个系统一个重要的特征是机械臂不仅作为观察的一个“指针”，它也类似于一个杠杆臂。由于其带有很多负电荷，外加电场会对其产生很大的力，这个力不仅可以用于驱动机械臂绕着中心点运动，也可以将其从锚定复合物里释放。“我们也注意避免使用交变电场使其折叠结构解开，”他补充道。

至于潜在应用，Simmel认为像3D打印机那样装配这些复杂的分子结构是一个极好的想法。但是，目前能实现的装配任务可能更像生物过程，比如当有RNA或DNA聚合酶时，生物分子按照碱基序列合成多聚物，或者核糖体通过合成氨基酸链再折叠成特定形状而产生蛋白质。

尽管3D分子打印机可能会激发人们的想象力，但Simmel说，这项工作的目标是为DNA纳米设备的操纵提供一个新的方向。

虽然这并不见得我们很快就能实现“通用型”分子制造，但只要有正确的化学条件和适当的拾起和释放机制，可以想象到这种简单的分子制造形式将成为可能。

Simmel强调，传统化学是非常强大的，并且能够更快地产生大量的物质。但他承认大多数情况下，传统化学在生产规模上是无法和工业化学竞争的，工业化学的反应规模通常是1L烧杯或者1000L的容器。

因为我们的操作方法是基于表面的，所以我们要致力于生产一些即使是少量也很难生产的分子或纳米构建物。

Simmel举例计算到，如果他们每毫秒要用机械臂引发一个化学反应，那么一百万机械臂同时运作，每秒产生十亿的化学键。运行该系统一小时能，每个分子能产生3.6 x 1012 的化学键，相当于6皮摩尔的产物。尽管这是一个微不足道的数字，但它与工业化学也没什么相关。

虽然确定一个对这一DNA机器人系统有意义的化学反应仍然是最重要的，Simmel和他的同事会继续致力于为机械臂可控地拾取和释放分子或纳米颗粒设计一个可靠的机制，使得机械臂能够将某处的物体移动到指定的地方。