赶快DNA机器

人体宿主数以百万计的分子马达和其他机器。他们让我们的肺呼吸,心脏的跳动,我们的大脑思考和消化系统潺潺。的生活是令人惊异的。我们越了解所有不可思议的功能,目前的在微观层面上的生活,越是我们中的许多人充满了渴望能够综合概括类似的功能,”哈佛大学的生物化学教授威廉•Shih说在马萨诸塞州,我们。

一个经常被提及的研究者在这一领域的灵感就是崇拜1966科幻电影神奇旅程,一艘潜艇和船员被缩小,发送到身体受伤的科学家来修复他的大脑。希望,有一天,人造分子机器会经常进入我们的身体提供药物等任务,完成诊断,进行手术。其他分子机器非医疗用途包括作为分析工具和合成化合物纳米工厂。

DNA比蛋白质更容易程序

两类建筑材料目前正在从事这个任务:合成有机分子,获得他们的先锋2016年的诺贝尔化学奖,和生物材料,此功能的重点。

就像孩子们的游戏

自然主要使用蛋白质作为构建块的分子机器,但研究人员利用DNA。“DNA比蛋白质更容易计划,以使不同形状和功能,”施解释道。

DNA遗传指令存储在四个碱基的序列——腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C),沿着它的骨干。和单股总是以一种可预见的方式自组装成一个双工:对与T;G双c .当被用作建筑材料,研究人员可以因此认为基地沿着一条DNA链的顺序代码指定链的一部分必须坚持另一部分,齐美尔弗里德利希解释说,生物物理学教授在德国慕尼黑工业大学。我们可以或多或少无知的化学复杂性,因为一切都是自动化的,减少代码。

我们必须找出方法来稳定这些结构

这是Ned Seeman在美国纽约大学首先想到使用DNA作为建筑材料。这是在1980年代初,此后许多技术已经开发建设几乎所有可能的DNA结构从下到上。这些包括DNA折纸的脑电波Paul Rothemund在美国加州理工学院,在短链DNA“主食”是用来长单股DNA折叠成复杂的三维形状。他的团队也使DNA瓷砖和砖夹在一起的方式类似于乐高积木。

过去几年里已经看到了成功的导航两个广泛使用DNA纳米技术最大的障碍——大小和稳定性。它曾经是很难设计DNA自组装结构比约100海里,亨德里克·迪茨解释生物物理学教授在德国慕尼黑工业大学。这个障碍是跳了2017年迪茨,阴和露露钱加州理工学院,同时公布三种不同的策略。

DNA骨干带负电荷,这意味着当他们收起彼此接近时,他们的天性是排斥,导致结构瓦解。在实验室里,让他们在高度抵消这些排斥的力量带正电的解决方案。但是身体不提供这样一个安全的避风港。在这里,DNA结构也受到不断的攻击从DNA核酸酶酶,其目的是为了降低DNA分子。我们要做的就是找出方法来稳定这些结构,这样,当你把他们的制造条件和应用条件他们生存,”迪茨解释说。他的团队和施的都最近开发的方法来实现这一目标通过化学交联结构。这是最后可能有这些结构生存数周,甚至更长,体内,”施说。

开始摇晃

大稳定结构本身不会让机器:他们需要能够移动。配置的刚性组件,如工器,和灵活,如单链DNA,本身做移动由于布朗运动,齐美尔说。但让他们这样做,在一个高度可控的方式是极具挑战性的。

DNA的可预见的和可编程的行为,所以在自组装非常重要,也是这里的关键。2000年看到伯尼Yurke,那么贝尔实验室研究员安德鲁•Turberfield牛津大学物理学教授,英国,齐美尔和揭示第一,仍然使用最广泛方法指导运动:一个DNA-partner交换的过程称为链置换反应。“你替换一个双链,或链的一部分,与另一个链(基地)序列相同,“Turberfield解释道。

DNA沃克,例如,可以通过压缩和解压缩工器反复交换伙伴,使其“脚”去旅行向上和向下的轨道包含互补碱基对挂钩。

机器人知道每个货物

2017年,露露钱和她的加州理工学院的同事们了一个DNA货物运输能够货物使用链置换反应。这个DNA cargo-sorter可以漫步在一个表面捡丢弃的货物分类成不同的桩;像我们收集废弃的脏衣服在我们的家庭和排序成整齐的成堆的颜色和白人。

表面这个DNA机是行走在一个2 d DNA单链DNA折纸结构挂钩的。货物是单股DNA包含DNA条形码标签。和机器人带着一长串的DNA与三个不同的部分:脚走路,收集和运输货物的手,和一段阅读标签。

机器人设计的随机行走在表面,直到货物撞到一块。随机选择这个,继续旅行,直到达到一个下降点。如果货物的条形码和下降点匹配,机器人将解压货物从其手中。“机器人知道每个货物会因为每一个都有一个DNA条形码标签,只有匹配其中一个目的地,“说埃里克Winfree,发明一个加州理工学院的计算机科学家和钱的合作者的研究。

最初的演示这台机器看到了机器人的DNA与绿色和红色荧光染料。但是团队表示,它还应该能够排序等小分子寡核苷酸适配子,抗体、小化工、金属纳米粒子和蛋白质。

“从A点到B点的运输对象是非常重要的,”施解释道。“在电子设备电子流从一个地方到另一个开关的状态机。以此类推,一个可以有物理运动的物质来完成同样的事情。”

加快工作效率

DNA cargo-sorter相当缓慢,排序六染料分子分成两桩在24小时,并加快处理团队同时使用多个机器人。加快速度的另一种方法是让机器直接从A到B的旅行,而不是随机漫步。但这是比听起来要难。在系统中创建一个正向偏压的方法之一是使用短的DNA链,称为化学燃料,参与链置换反应。这是一个工具,设计非平衡反应网络,“Turberfield解释说谁发达国家的概念。这是一个聪明的动能技巧使去除脚的速度比后面的人面前,“施补充道。

目前,施的实验室使用化学燃料动力DNA nanocallipers走动大分子测量。这些pincher-like工具环绕对象在不同的地点,和他们必须扩大覆盖对象表面每一点代表物体的长度,Shih说。最终目标是破译的3 d结构大分子的速度比目前可以使用传统的工具,如x射线晶体学。”而不是直接成像的分子,我们这些小卡尺,测量这些成对的距离,然后我们这些距离输入结构预测程序,它可以重建整个3 d形状是伟大的细节,“施解释道。他正在与他的哈佛大学的同事黄韦斯利开发这个工具。

使用原力

加速DNA计算机的其他方法包括改变pH值的解决方案是,增加离子,照明用电光或消灭他们。Simmel完成实验室采用了后一种方法控制其DNA机械手臂。手臂动作比典型的DNA计算机快100000倍,齐美尔说。

手臂是一捆的工器附加到一个3 d单股DNA的DNA折纸平台。这种柔性接头允许臂旋转的平台。因为DNA是带负电荷的,手臂向电场时应用于系统中。Simmel完成也引入了一系列停靠点平台增加位置控制他的手臂。平台和臂突出的短链互补的DNA杂交在近距离时,抱着胳膊。

Simmel完成实验室演示他的手臂运输有机荧光染料分子和金纳米棒的平台。这个货物运输船设备的一个潜在用途是在工厂流水线的分子版本,他解释说,分子可以从外部指令后快速构造操作符。

超大我

DNA计算机的一个潜在的应用是在宏观尺度的控制机器人。我集团是制造机器,整合传统软材料,像水凝胶,用动态DNA组件驱动它们的运动,”丽贝卡·舒尔曼说,巴尔的摩的约翰霍普金斯大学生物分子工程学教授,我们。这些机器人都在10µm 10毫米的规模。

我们得到一个100倍体积的变化

舒尔曼实验室的水凝胶由DNA工器,而不是更典型的小分子交联剂。我们的材料含有聚丙烯酰胺身体杂化交联的DNA,”她说。团队使用了一个链置换反应,使水凝胶膨胀。多个发夹型DNA分子插入到DNA交联双扩展,导致水凝胶的生长。有这种戏剧性的变化在这种材料的规模增长,”舒尔曼说。我们得到一个100倍体积的变化。

团队使用的是这种现象直接运动在宏观尺度的机器人,通过控制每一部分时膨胀。我们把不同的DNA水凝胶在不同部分的设备,”她解释说。每个水凝胶包含不同的碱基序列DNA交联工器和膨胀只有在回应匹配发夹。使用这种方法,特定的团队展示了折叠花瓣水凝胶鲜花和制造天线的蟹,爪子和腿,每个旋度,以应对不同的DNA发夹。

最终目标是设计机器人自主移动到外部刺激的反应。团队正在朝着这个目标的一个方法是设计传感器,释放DNA发夹,导致反应设备移动刺激如一个特定的小分子。这些原始的开端的不仅仅是一个机器人,但是一个控制器,”舒尔曼说。

可能的应用程序对这些设备包括智能捕捉设备检测和走向化学梯度。的能力,以应对化学信号检测在远处可以让机器人寻找和挑选特定类型的细胞或碎片。这样的机器人可以执行活检或保持表面精致干净,”舒尔曼说。

告诉时间

Elisa佛朗哥实验室在美国加州大学洛杉矶分校的是定时控制的关注不同的方面对自治DNA机器。“我感兴趣的是了解我们可以改变它们的形状使DNA纳米结构在对刺激的回应,“这样做以定期发生的间隔,她解释说。

2019年,她的实验室揭示了DNA纳米管定期,组装和拆卸。碳纳米管与多个单独的DNA链DNA构建块瓷砖晃来晃去的。管装配时从不同的瓷砖形成双链互补,和拆卸时入侵者链进来和配对的分手。重新组装然后由anti-invader链取代绑定入侵者链,让瓷砖免费再次形成碳纳米管。我们有单体纳米规模但是他们长大后在几分钟内管中微米大小,”弗兰克说。

我们正在研究如何建立一个人工细胞骨架的DNA

研究人员受细胞细胞骨架,一个管网络,定期通过细胞分裂生长。我们想要重复相同的动作,随着时间的推移,”弗兰克说。入侵者和anti-invader链就可以手动添加到系统,在重复周期,控制管装配和拆卸。但对自主控制,团队合成分子振荡器耦合系统,调节两种链的释放。

振荡器是由两个合成的负反馈循环DNA的基因,编码对入侵者和anti-invader链和两个酶——RNA聚合酶产生链和核糖核酸酶降解。的振荡行为的基因是由周期性的生产和退化的入侵者和anti-invader链。

最终,弗朗哥想这些纳米管中使用人工细胞功能。现在,我们这个系统封装在水滴,”她说。滴是最小的等效单元我们学习如何建立一个人工细胞骨架的DNA。”

在车间里

DNA计算机设计师也被受到另一块细胞机制:核糖体。这些分子沿着股信使RNA,蛋白质工厂组装氨基酸(与转移核糖核酸分子标记)的顺序编码的信使RNA碱基序列。

DNA在历史的轨迹是一个原型的材料

研究人员正在使用相同的概念直接合成聚合物。与瑞秋O ' reilly的小组在伯明翰,我们开发gene-programmed聚合物合成、分子机器的Turberfield解释道。在这个设置中,人造DNA链的mRNA和tRNA,和合成单体氨基酸的替代品。我们有汤的不同的构建块,他们发现了一些类似于tRNA的DNA。我们的机器是由一个基因编程:它承认这些适配器序列并将积木与聚合物增长迫使他们接近的反应程序序列,Turberfield解释说。

这个自治系统已经与许多不同的自然和非自然的构建块使用肽和烯烃债券和不需要净化。Turberfield希望会发现所使用的技术在制药行业快速合成大组合库用于药物先导化合物。我们的想法是,他们会做一个汤约一万亿种不同的gene-programmed分子在一个锅里还留有他们的DNA标签,他说。这汤会对药物的筛选目标,如果有积极的回应,DNA标记可以用来识别分子负责“打击”。

最终成功的DNA被证明是作为分子机器的可编程的建筑机械,这个领域的许多研究人员认为DNA最终将成为过时。它将被新的取代自然和人造材料,也自组装但更强大或更有用的在其他方面,如在电子或磁性,Shih说。的DNA在历史的轨迹是一个原型的材料,我们可以测试不同的想法如何编译函数,最终分散到其他材料。

迪茨对此表示赞同。在物理学,我们经常订阅挑一个简单的哲学系统,尽可能多了解它之前启动的复杂性。

尼娜Notman位于索尔兹伯里的科学作家,英国