DNA纳米技术的米技下一步：DNA机器人？

2011-09-04 07:00 · aday

科研人员们长期以来一直都希望利用DNA的信息储存和控制能力开发出一款DNA计算机。

纳米组装生产线。下步在DNA步移机器人陆续经过S1、器人S2、米技S3表面的下步时候会陆续连接上各种不同的分子。（图）

科研人员们长期以来一直都希望利用DNA的器人信息储存和控制能力开发出一款DNA计算机。经过多年的米技尝试和多次失败，为了最终能够超越传统的下步计算机技术，大家还是器人把目光转回了生物化学技术。

分子计算机的米技前景是显而易见的。干重1克的下步DNA分子携带的信息量大致相当于1万亿张CD携带的信息量。千百万年来生命的器人演进过程也表明，DNA分子携带的米技这些信息是能够被储存、读取、下步操控和复制的器人。一句话，这些信息是可以被计算的。所以从理论上来说，两条DNA互补链之间选择性的结合和解离的过程也可以像二进制的计算机一样处理大量的信息。

1994年，美国洛杉矶南加州大学（University of Southern California）的计算机专家Leonard Adleman利用上述DNA原理解决了一个叫做Hamiltonian路径的难题（Hamiltonian path problem）。这是一个著名的“旅行商问题（traveling salesman problem）”，即如何在最短距离内经过所有节点的问题，这个问题是计算机专家们用来评价计算难度的一个经典问题，有关Adleman的工作读者可以参阅刊登在1994年11月11日《科学》（science）杂志第1021页上的文章。后来，Adleman又和其他的科研人员一起向更复杂的问题发起了冲击。不过最终利用DNA来开发计算机的想法还是以失败告终。

美国加州理工学院（California Institute of Technology，Caltech）的DNA计算专家Erik Winfree说：“我们大约是在1998年正式放弃了这个想法的。”Winfree指出，DNA计算机运算速度非常慢，容易出错，而且很难进行上百万次的运算操作。所以它不可能完成电子计算机能够胜任的工作。

不过Winfree等人也承认，DNA计算机有它自身的优势，它可以代替电子计算机到活体内或者湿润的环境下工作，这些也都是电子计算机无法做到的。美国哈佛医学院的生化学家William Shih认为：“DNA计算机最合适的用途是和细胞对话，进行疾病诊断和治疗之类的工作。我们也不可能期望英特尔的酷睿2双核处理器来完成这项工作吧。”

去年，Winfree在加州理工学院的同事Niles Pierce给我们带来了一个好消息。在发表于2010年9月7日《美国科学院院报》（PNAS）网络版上的一篇文章里，Pierce等人向我们介绍了他们是如何在体外实验中使用人工合成的数对RNA分子来发现并杀灭肿瘤细胞的。他们设计、合成的第一条RNA链是能够识别肿瘤细胞特有RNA分子并与之结合的。它们结合之后会让第一条RNA链暴露出与第二条人工合成RNA链相结合的位点，随之会激发一系列化学级联反应，让肿瘤细胞误以为它被病毒感染，所以触发了凋亡反应，导致肿瘤细胞死亡。而正常的细胞却不会受到影响。

Pierce等人还在2010年10月31日的《自然 生物技术》（Nature Biotechnology）杂志网络版上撰文指出，他们的这种技术还可以用来研究细胞内RNA的表达谱。对于从事RNA研究的科学家来说，这种通过传感器触发的级联反应其实也就相当于一个生物计算机小程序了。

化学家们也利用这种测序取得了一定的成绩，他们使用短小的DNA分子步移技术（DNA walker）帮助合成复杂的DNA分子。这种DNA“步移者”实际上可以看作是一种非常原始的DNA机器人，它可以沿着线性轨道一步步的往前走。这位DNA机器人的腿就是与固定在预设表面上的DNA链互补配对结合的DNA链。虽然有很多种DNA“步移者”，但绝大多数“步移者”每次只会前进一步，而每前进一步，科研人员们就会往它身上添加一小段DNA，我们称之为“燃料链”（“fuel”strand），帮助“步移者”成熟。每一段“燃料链”都会施加一个命令，指引“步移者”接下来做什么。第一条“燃料链”会与两条腿的“步移者”后退在预设表面上的结合位点竞争，促使后退解离下来并越过前腿往前迈进。然后另一条“燃料链”再发挥同样的作用，周而复始，促使“步移者”不断往前走。

2010年，3个研究小组又在此基础之上往前发展了一大步，他们直接将DNA“步移者”当做了“建筑工人”。纽约大学的DNA纳米技术专家Nadrian “Ned”Seeman等人在2010年5月13日出版的《自然》（Nature）杂志上发表了一篇论文，他们装配出了一支DNA“步移者运输队”，每名队员都有四条腿和三支胳膊，这支部队可以“拾起”、“搬运”各种分子“货物”。 Seeman的这支“步移者运输队”再加上他们的DNA纳米组装技术可能就是世界上最小的生产线了。

英国牛津大学的物理学家Andrew Turberfield和美国哈佛大学的化学家David Liu也在不久之后设计出了类似的搬运机器人。今年早些时候，Turberfield团队在《纳米期刊》（Nano Letters）杂志上发表文章，报道他们已经成功的让搬运机器人在一条有多个分支的道路（这些分支上预设了能够与搬运机器人腿部结合的位点）上按照设定的程序到达了指定的位置。Turberfield说，将来科研人员们应该能够同时操纵多个机器人，让它们同时完成各种不同的工作。

不过现阶段的DNA机器还都非常简单，速度也很慢。不过事实已经证明，这些DNA机器能够以电子计算机永远都无法做到的方式来管理信息。

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