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科学家造出可高速运动的DNA 机械臂
 
 
    DNA纳米机器人系统是纳米机器中的一种,并在近些年得到了不断发展。而在1月19日的《科学》杂志上,我们又看到了DNA纳米机器人实现的又一项“壮举”—— 研究人员利用电场加速了DNA机器人系统的运动速度。
    之前的DNA分子机器因为依赖DNA分子因子的缘故而不能更快地运行,相比之下,这次的DNA分子机器人的速度比普通的DNA机器人要快上约10万倍,可以说是极大地促进了DNA机器人系统的发展。
    该研究由德国慕尼黑工业大学 (TUM) 的团队完成。论文的合作者,慕尼黑工业大学 (TUM) 的 Friedrich Simmel 教授表示,之前大多数基于 DNA 分子的机器主要是由各式各样的 DNA 分子进行调控, 包括利用额外添加外部 DNA“燃料链”DNA 杂交,DNA-切割酶, 改变缓冲环境 (如 pH 值), 或者使用化学光电开关收集光来诱导反应。不过,由于种种原因,这些方法最终使得运动行为非常的慢,需要数分钟甚至数小时的时间才能完成所需的运动过程。
    与之前展示的 DNA 机器人系统或组装线相比,此次成果利用电场控制可以更快的对 DNA 机器进行移动和定位,并且该方法不需要添加任何的“燃料”或去改变缓冲环境。
    此次实验中, Simmel 和他的同事们使用了一种分子自组装的技术: DNA 折纸。这项技术可以将 DNA 链折叠成巧妙的结构。
    通过 DNA折纸技术,团队创造了一个边长为 55 纳米的正方形刚性基面,它通过一个灵活的关节与一个 25~400 纳米的长臂相连接 (以上所涉及的结构均由 DNA 分子组成)。这个结构被固定在了一个定制的装满水的样品室底部,研    利用 DNA“折纸”技术“折叠”出的方形基面与机械臂,以及连接两者的结点;右图为在电场的作用下,施加力于机械臂一端,机械臂能围绕结点轴转动
    因为 DNA 是负电荷的, 所以它可以被电场所操控,通过控制 DNA 的方向, 研究人员能够让 DNA 手臂相对于基板做出任意角运动。电场除了对于 DNA 的进行快速的调控, 还可以用来降低 DNA 对接的稳定性, 从而加快解绑固定在基面上的 DNA 手臂。
    Simmel 补充道,当在基板上创建一些“对接点”的话 , 就可以利用电场将 DNA 臂从基板上的固定位移到另一个位置。另外当 DNA 手臂固定到一个特定的对接地时, 如果绑定点固定作用足够强,即便我们撤掉电场,DNA 手臂依然能很好的固定在该点。
    该系统的一个重要特点是, DNA 手臂既可以作为一个固定观察点的 “指针”, 也可以起到类似杠杆臂的作用。当 DNA 臂上携带许多电荷时,外部电场在其上会产生很大的作用力, 而这种力可以使得 DNA 臂绕支点进行转动或实现与结点的对接。
    将这个机械臂组装完成之后,研究人员把一个长度25nm的金颗粒放置到该 DNA手臂可自由移动的一端。开启外电场之后,这个DNA机械臂就会开始旋转,带动顶端的纳米颗粒发生运动。
    虽然确定 DNA 手臂的运行机制已经非常有意义了,但是 Simmel 的研究团队有着更大的目标。接下来,他们会继续致力于研究如何利用 DNA 手臂来创建一个用于抓取和释放分子/纳米粒子的可靠机制, 通过手臂将对象从获取区域移动到目标(靶)区域。
    这种 DNA 手臂还可以与其他技术平台连用,任意拾取和释放所构分子的RNA 或 DNA聚合酶,在原子水平实现生物分子的 3D 打印。Simmel 也认为,在该研究的潜在的应用上,组装复杂的分子结构的方式或许有点类似于 3D 打印机。尽管将分子迅速地 3D 打印出来是不可能的,但是这项工作为 DNA 纳米器件的调控开辟了新的方向。此外,可被远程控制的 DNA 手臂也适用于药物分子制备,实现药物在分子级别的精准释放。
 
(摘自医械信息网)
 
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