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2020年12月08日 | 基于DNA的纳米机器人可用来治疗人类疾病
2020-12-08 来源：中国机器人网
目前在很多领域，智能机器人已经可以帮人类完成高危、高难的工作。如今的机器人已不再只是“钢铁战士”，生命基本物质——DNA（脱氧核糖核酸）赋予纳米机器人“血肉之躯”。
这种“麻雀虽小五脏俱全”的DNA机器人，能在纳米尺度上执行任务，因此它可以在人体细胞内发挥作用，这也让很多科研人员看到了其在医疗领域的广阔前景。在11月1日举行的第三届世界顶尖科学家科学前沿话题讲堂上，中科院院士、上海交通大学化学化工学院教授樊春海围绕DNA制成的纳米级机器人做了，表达了其对DNA机器人治疗疾病的乐观设想。他认为，总有一天，基于DNA的机器、基于DNA的自组装机器、基于DNA的纳米机器人，可用来治疗人类疾病。
框架核酸提升DNA机器人“智能”
“DNA纳米机器人最核心的技术就是DNA折纸技术，在此基础之上，融合了一些可调控的机制，使得DNA不止能被折成各种结构，还具有了动态的机械功能，从而可以被称为‘机器人’。”天津大学化工学院教授、博士生导师齐浩介绍，虽然DNA纳米机器人不同于传统意义上的机器人，但之前能构建的生物分子都没有这些动态的功能，而DNA折纸技术帮助实现了分子的自组装，因此能赋予它一些动态调控的功能，使之更智能。
“不同形式的DNA结构也被称为框架核酸。通过DNA折纸技术，将连成片的DNA当作‘纸’，经过设计和堆叠，构建出自己想要的模样，实现了人工设计自组装核酸结构。这种折出来的框架核酸，具有可编程的尺寸、形状和机械性能。有了这些DNA框架结构，科学家就可以在纳米范围内精确地组织小分子，使其成为架构纳米药物的有效平台。”齐浩介绍，通过DNA折纸技术，就可以搭建出机器人的“骨架”。
和传统的DNA相比，DNA框架具有更稳定的结构，不容易被体内的外切酶降解，从而更加准确有效地进入细胞，向人体内递送靶向药物。
框架核酸可以赋予机器人一些动态功能，而且这些功能是可控的。“DNA机器人可以实现很多功能，比如DNA行走、识别、结构开合等，这些技术都是通过DNA的序列设计技术来实现的。而序列设计是基于DNA链和链之间的识别来控制配对。”齐浩举例说，比如DNA机器人行走，就是根据核苷酸的碱基互补配对原则，A、T、C、G这4种碱基能够两两连接，形成双链。利用这个原理，设计特殊序列的DNA“桩”，这些DNA“桩”就像是DNA机器人前进路上用来踩踏的砖头。当机器人一只脚踏上正确的“桩”时腿部会快速进行碱基配对，另一只脚随机选择一块正确的“桩”，踏出下一步，踩着之前桩子的那只脚就变自由了。
“其实很多高分子材料都能做出动态功能，比如温度、硬度变化，材料也能‘动’起来，实现智能化。但之所以DNA用来做机器人引起这么多关注，是因为DNA折纸可以在这么小的尺度折出更复杂的结构，使得DNA机器人的可控精度、灵敏度更高。”齐浩介绍，目前DNA序列设计技术发展很快，出现了很多软件，可以精准设计出DNA链和链之间相互识别、作用的序列。
能与更多物质结合实现更复杂功能
“最开始研究DNA折纸，主要是通过DNA折纸和组装，做出一个结构，从而来实现各种功能。现在越来越多的科研人员，让DNA与生物酶等其他分子结合在一起，以实现更复杂的功能。”齐浩举例说，就像去年，有科研人员在DNA折纸技术基础上，固定纳米金、生物酶，并且精准控制。相当于把DNA折纸做成分子生物芯片，而后固定各种生物元件，以实现更复杂的分子功能。
“这种通过DNA折纸，折出高精准度的核酸框架，而后再把具有不同功能的生物分子精准固定在框架上，从而实现各种生物功能，是DNA机器人未来的主要发展趋势。”齐浩说，但这些生物分子固化之后，生物功能怎么去设计，怎么让它们相互之间协调工作，这都是后期需要解决的一些问题。
目前，DNA机器人的效率也需要提高。比如来自美国加州理工学院的钱璐璐教授研究出的一种可移动DNA机器人，它迈出一步需要5分钟，一步只能移动6纳米，单个机器人用了接近一天的时间才将6个不同的“货物”运送到指定位置。
“与低效率同时存在的是高成本，每一个DNA机器人的加工成本都很高，如果需要大批量使用成本会更高。”齐浩解释，这是因为，比如执行一个任务需要100个DNA机器人，目前做不到能精准控制每一个DNA机器人去执行命令，如果有几个机器人“开小差”，完成任务的效率就更低了，付出的成本就会相应增加。
可成为智能升级版靶向药载体
“DNA机器人在医疗领域，更多的会用来为某些肿瘤或癌症患者递送靶向药，或是制造纳米级设备元件，成为精准医疗的加速器。”齐浩进一步解释，之前都是把药物做成小分子，在人体内漫无目的地扩散到各个部位。后来出现了靶向药，就是在药物上增加识别病灶的分子靶点。而用DNA机器人可以制作智能升级版靶向药。
齐浩强调，DNA机器人本身并不治病，它只是一个载体，可以携带药物精准到达病灶或者病灶周边，进行操作精准给药，以增加现有药物的效力。
而且除了带货、识别、运输、卸载药物，DNA机器人还可以被装载上更多的“逻辑门”，以实现更多的功能和操控。齐浩举例说，研究人员曾制作过一个DNA机器人盒子，盒子里可携带治疗肿瘤的药物，通过设计识别功能，“盒子机器人”可准确找到肿瘤细胞，并且通过识别预先设计好的分子信号，打开盒子门。这个开门的操作就可以设计“和”或者“或”的逻辑门，满足两个条件打开门或者满足两个条件中的一个就开门。
DNA机器人，能在纳米尺度完成这么多复杂的操作，让科研人员看到了它在医疗领域前景可期。有专家表示，这种微小的机器人甚至可以完成定位，操作一台小型手术。
不过与大多数新生事物相同，DNA机器人应用于医疗，还有很多关键的问题需要解决，其中最主要的就是生物安全性。
DNA是人类的遗传信息，使用DNA做成机器人进入人体细胞进行治疗，就相当于外源DNA进入人体，可能存在与人类DNA相互作用、整合到人类基因组的情况，对人类自身遗传信息的稳定性产生影响。
“目前的科研人员都还在DNA机器人的构建层面进行研究，它的功能还没那么强大。未来DNA机器人的技术一旦成熟并进入到应用层面，生物的稳定性和安全性等问题就会凸显出来。”齐浩表示。
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