DNA机器，前进吧

2016年诺贝尔化学奖颁给了三位研究分子机器的化学家，获奖理由是“分子机器的设计与合成”。他们通过有机分子合成制造了分子机器，把科幻照进了现实。如今利用可编程的生物材料——DNA，生物化学家和生物物理学家创造出具有各项功能的DNA机器。来看看这些前沿实验室里他们捣鼓出了什么，DNA机器人？他们会满足于此吗？

作者 | 尼娜·诺特曼（科学作家）

翻译 | 继省

核酸构成的机器渐入佳境。

——尼娜·诺特曼（Nina Notman）

人体内有数以百万计的分子马达以及各类“机器”——这些机器维持了我们肺部的呼吸、心脏的跳动、大脑的思考、消化系统的蠕动……“生命就是这么神奇。在生命的微观水平上，有各种各样不可思议的功能。我们了解得越多，就越想把这些功能重演出来。”哈佛大学生物化学教授威廉姆·施（William Shih）如是说。

这一领域的研究者常提起的启蒙之作，是1966年上映的科幻电影《神奇旅程》（Fantastic Voyage）。电影中有一艘潜艇，它和全体船员整体缩小后，被送入一位受伤的科学家体内，修复他的大脑。这部电影给了人们一种希望——未来某一天，人造的分子机器也可以轻松进入体内，完成药物递送、疾病诊断、手术操作等任务。分子机器还有医学之外的用途，比如作为分析工具，或是化合物合成的纳米工厂等等。

如今，用于搭建分子机器的材料有两类：其一是合成有机分子，这一领域的先驱已在2016年荣膺诺贝尔化学奖；其二是生物材料，也就是本篇专题的核心内容。

像儿童积木一样

自然界主要用蛋白质当零件来搭建分子机器，而研究者们则使用DNA。施解释道，“相比蛋白质，对DNA进行编程更容易制造出不同的形状和功能。”

DNA把遗传指令储存在由四种碱基组成的序列中，序列中腺嘌呤（adenine,A）、胸腺嘧啶（thymine，T）、鸟嘌呤（guanine，G）、胞嘧啶（cytosine，C）沿着骨架排列。单链DNA总会自动组装成双链，而且方式可预测：A与T配对，G与C配对。德国慕尼黑技术大学生物物理学教授弗莱德里希·西蒙（Friedrich Simmel）解释说，当把DNA用作“建材”时，研究者可以把DNA链上的碱基序列视为一种代码，代码规定了DNA链的一部分一定会紧贴另一部分。“我们基本可以忽略化学上的复杂性，因为所有的事情都是自动完成，简化成一行代码。”

最早想到用DNA作“建材”的人，是美国纽约大学的奈德·西曼（Ned Seeman），那是在上世纪80年代初。自那以后，一系列技术问世，用于构建各种可以想象到的DNA结构。这些技术里就包括DNA折纸（DNA origami），这是美国加州理工大学的保罗·罗斯蒙德（Paul Rothemund）的脑洞：用短链DNA作“订书钉”，把长的单链DNA折叠成复杂的三维形状。他的团队还制作了DNA瓦片（DNA tiles）和砖头（DNA bricks），这些东西可以像搭乐高积木一样组合在一起。

参考插图：乐高型DNA结构丨图源：Science

在过去几年里，DNA纳米技术的两大障碍——尺寸和稳定性——得到了突破。慕尼黑科技大学生物物理学教授亨德里克·迪茨（Hendrik Dietz）表示，在这之前，设计超过100纳米的自组装DNA结构非常困难。2017年来自加州理工的迪茨、尹鹏（译注：现任职于哈佛大学）和钱璐璐，同时公布了三种不同的策略，这才打破了这道屏障。

DNA骨架带负电荷，这意味着当折叠后的DNA彼此靠近时，它们会本能地互相排斥，导致结构散开。在实验室里，将DNA置于高度阳离子溶液就可以抵消排斥力。但是，人体并没有给DNA提供这样的理想乐园。人体内，DNA结构会遭受DNA酶的持续攻击，这种酶生来就是降解DNA分子的。迪茨解释说，“我们必须要做的，就是找到办法来稳定DNA折叠结构。这样当我们从实验的理想条件转移到实际应用时，这些结构依然能保留下来。”迪茨的团队和施的团队近期都发展出了稳定DNA结构的手段，他们利用化学交联的方法把DNA结构连在一起。“现在终于可以让这些结构在体内存在数周，或是更长时间了。”施说。

来一点儿“小摇摆”

单单是一个大型的稳定结构还不足以成为机器：所谓机器，就要能移动。西蒙提到，双链DNA类的刚性元件，加上单链DNA这样的柔性元件，这两者的混合体在布朗运动驱使下便可以四处移动。但是，让它们以高度可控的方式运动极具挑战性。

DNA的可预测和可编程属性在自组装过程中非常重要，也是DNA机器中的关键。2000年，时任贝尔实验室研究员的伯尼·育克（Bernie Yurke）和英国牛津大学物理学教授安德鲁·特伯菲尔德（Andrew Turberfield），合作揭示了首个指导DNA运动的手段：DNA-伴侣替换过程，即链置换反应。这一方法至今仍广泛应用。特伯菲尔德解释说，“这就是把双链中的某一条链整体或者一部分，用带有相同碱基序列的另一条链替换掉。”

例如，DNA步行者（walker），可以通过把双链拉开再合上的方式反复进行“伴侣”替换，使得它的“双脚”沿着一排带有互补碱基对的“桩子”上下踱步。

2017年，加州理工学院的研究者证实，DNA运输装置可以利用链置换反应分选货物。这种DNA“货物分选员”可以在某个表面上游荡，挑捡起废弃的货物，将它们分成不同的堆；像我们在家里收脏衣服一样，把有色衣服和白色衣服各放一堆。

DNA机器所行走的表面，是由单链DNA聚集而成的二维DNA折纸结构。货物则是一些包含DNA“条形码标签”的单链DNA。机器人是一条单链DNA，由三部分组成：走路的“脚”，收集运输货物的“手臂”，和阅读标签的片段。

机器人会在表面随机游走，直到撞上货物。它会捡起货物，继续游荡直到卸货点。如果货物条形码与卸货点匹配，机器会把货物从手上解开放下。“机器人清楚每个货物的去向；因为每个货物都会有一个DNA条形码，这些目的地里只会有一个与条形码匹配。”加州理工计算机科学家埃里克·温弗力（Erik Winfree）解释说。

这类机器最初得到证明，是用机器人分选带有绿色和红色荧光染色的DNA。不过，研究团队指出，DNA机器也能分选其他小分子，包括适配体（aptamer，指一类通过折叠形成特定的三维空间构型的单链核酸分子）、抗体、小分子化合物、金属纳米颗粒和蛋白质。

“能把物体从A点运输到B点是非常重要的。”施解释道，“在电子装置中，可以用电流改变机器状态。与此类似，我们可以利用物质的物理运动来完成相同的事情。”

加快进程

DNA货物分选员干活儿非常慢，把6个染料分子分成两堆要用24小时。为了加速这一过程，团队使用了多个机器人同时工作。另一种办法是让机器从A点直达B点，而不是随机游走。但是，说起来容易做起来难。为了在系统中制造前进的偏向力，有种办法是使用短链DNA（在这里也被称为化学燃料）来参与链置换反应。“这是一种设计不平衡反应网络的工具”，发明这一概念的特伯菲尔德解释说，“这是一个聪明的动力学技巧，可以使落在后面的那只脚比前面那只脚抬得更快。”

如今，施的实验室正在使用化学燃料来为驱动DNA纳米卡尺。这些纳米卡尺在大分子周围逡巡并展开测量。施表示，这些像夹子一样的工具包围在目标的不同部位，而它们在不同点覆盖目标表面需要延伸放大的倍数，如此就标示了目标在该处的长度。终极目标是用这些工具来解析大分子的三维结构，可能比现用的X射线晶体学等传统解析工具都要快。“不必再直接对分子进行成像，而是用这些小尺子去测量所有成对的点与点的距离，然后我们把这些距离数据输入进结构预测程序，程序便可以重建出分子的整体三维形状，并且深入细节。”施解释说。他正在与哈佛的同事卫斯理·黄（Wesley Wong）合作开发这个工具。

用“力”

给DNA机器加速的手段还包括：改变溶液pH值、添加离子、用光激发或是施加电场。西蒙的实验室采用了最后这种方法来控制DNA机械手臂。西蒙说，改造后的机械臂比传统DNA机器手臂运动快了10万倍。

机械臂是一束刚性DNA双链，通过单链DNA粘附在三维DNA折纸平台上。单链DNA相当于灵活的关节，使得机械臂可以相对平台旋转。由于DNA带负电荷，当系统受到电场作用时，机械臂向DNA移动。西蒙也向DNA折纸平台中引入了一系列停靠站点，以此来增加对机械臂的位置控制。平台和手臂有互相匹配的凸出短链DNA，当它们靠近时便可配对，将手臂锁住不动。

西蒙实验室证明，这一手臂可以在平台上运输有机荧光染料和金纳米杆。他解释道，这个货物运输装置可以作为工厂流水线的分子版本，由外部操作者发出指令，指导分子快速构建。

变大我吧

DNA机器的另一个潜在应用是用于控制宏观尺寸的机器人。“我的课题组正在制造可以整合传统软材料（如水凝胶）和驱动其运动的动态DNA元件的机器。”瑞贝卡·舒曼（Rebecca Schulman）说，她是美国约翰霍普金斯大学的生物分子工程教授。这些机器人尺寸在10微米到10毫米之间。

舒曼实验室的水凝胶使用DNA双链固定，而没有用传统的小分子交联剂。她说，“我们的材料包含聚丙烯酰胺，它们通过杂交DNA实现物理交联。”她的团队使用链置换反应来胀大水凝胶，将大量的发卡形状的DNA分子插入到DNA双链交联结构中，使得结构延伸，从而导致水凝胶生长。舒曼说，“这种材料生长时，尺寸的变化非常显著。我们把材料的体积放大了100倍。”

团队现在正利用这一现象，通过控制不同部位的膨大时机，来实现控制宏观尺寸机器人的运动。他们把不同种类的DNA水凝胶放在设备的不同部位上。每个水凝胶所交联的DNA双链里都包含不同的碱基序列，它们只会响应序列匹配的DNA发卡。利用这种方式，团队实现了在水凝胶“花朵”上指定“花瓣”的折叠，也制造了一只水凝胶“螃蟹”，它的触角、钳子和腿都可以响应不同的DNA发卡结构而发生弯曲。

水凝胶螃蟹丨图源：约翰霍普金斯大学瑞贝卡·舒曼实验室主页

团队的终极目标是，设计出可以响应外界刺激后自主运动的机器人。为了向这一目标迈进，团队正在设计可以释放DNA发卡的感受器，使装置可以在特定小分子的刺激下发生移动。舒曼说，“这不仅对机器人来说是很初始的一步，对控制器也是。”

自主运动装置的应用可能作为一种智能捕获装置，可以探测化学梯度并沿此移动。“拥有对远处化学信号作出反应并移动的能力，机器人就可以找到并捡拾特定类型的细胞或者碎片。这种机器人可以开展生物活检，或者保证物质表面极度清洁。”舒曼说道。

指示时间

在美国加州大学洛杉矶分校艾丽莎·弗朗克（Elisa Franco）的实验室，正聚焦于自主性DNA机器的时间控制。她解释说：“我感兴趣的是，理解如何使DNA纳米结构响应刺激后改变形状，以及如何使这种形状改变在定期内规律地发生。”

2019年，她的实验室展示了可以节律性地组装和解离的DNA纳米管。纳米管的基础材料是DNA瓦片，瓦片上有多条单链DNA。当来自于不同瓦片的DNA单链互补链配对成双链，纳米管组装开始；而当“入侵链”到来并破坏原有配对后，纳米管发生解离。之后，通过“反入侵链”来将已结合的入侵链替换掉，便可引发DNA纳米管的重组装，使得DNA瓦片再次自由形成纳米管。弗朗克说，“我们现在有纳米尺寸的单体，它们可以在几分钟内就长成微米级的管状结构。”

研究者受到了细胞骨架的启发，后者是细胞分裂过程中周期性生长的管状网络。弗朗克说，“我们想要同样的动作反复进行。”入侵链和反入侵链可以周期反复地人工添加到系统里，来控制组装和解离。但是，为了实现自主控制，团队将系统与一个合成的分子振荡器结合，利用这个振荡器调控两种DNA链的释放。

振荡器包括一个负反馈基因环路和两个酶。环路由两个分别编码入侵链和反入侵链的合成DNA基因形成；两个酶则分别是负责制造入侵链和反入侵链的RNA聚合酶，另一个是可以降解两种链的核酸酶。基因的振荡行为由入侵链和反入侵链的周期性产生和降解来驱动。

弗朗克希望，这些纳米管最终能被用到有功能的人造细胞里。她说，“此刻，我们正试着将这个系统包裹到水滴中。液滴是细胞的一种最小等价结构，我们正在研究如何搭建全由DNA组成的人造细胞骨架。”

进入工厂

DNA机器的设计师也受到了另一种细胞机器的启发——核糖体。核糖体是分子型的蛋白工厂，沿着信使RNA（messenger RNA）链移动，将氨基酸（带有转运RNA分子标签）依据信使RNA碱基序列中编码的信息，依次组装到一起。

研究者将同样的概念来指导多聚物的合成。特伯菲尔德表示，“我们和伯明翰的蕾切尔·欧雷丽（Rachel O’Reilly）团队一道，正在开发分子机器，用于基因编程的多聚物合成。”在这种设定下，人工合成的DNA链将扮演信使RNA和转运RNA的角色，合成的单体则替换了氨基酸。特伯菲尔德解释说，“我们得到了一系列不同的零件，这些零件会被与转运RNA类似的DNA识别。我们的机器由基因编程，它会识别接头（adapter）序列，把这些零件搬运到多聚物生长的场所附近，强制它们以设定好的顺序进行反应。”

这种自主的系统已经将多种天然和非天然的零件连接到了一起：使用多肽键和碳双键将零件相连，甚至不需要进行纯化。特伯菲尔德乐观预计，这一技术会在制药行业得到应用，用于快速合成大规模组合文库来发现药物前体。他们的想法是在一个反应器中，制造出由基因编程的万亿级数量分子的“一锅靓汤”，并且DNA标签依然贴附在这些分子上。这锅汤接下来会用于筛选药物靶点；一旦发现了阳性的反应，DNA标签便可用于识别引发反应的分子。

DNA已经成功地向人们证明它可以作为可编程的工程机器，然而，这一领域的很多研究者都预计DNA最终会成为过去时。它会被新的天然和人造材料所取代。这些新材料同样能自我组装，但却拥有更强更有用的功能，比如带有电磁特性。施说，“DNA在这段历史上是一个示范性的材料，我们可以用它来测试打包生命各项功能的各种想法，但最终我们还是要把花样投入到其他材料中。”

迪茨同意这一观点，“在物理学上，我们常常遵循这样一种哲学：先拿一个简单系统去尽可能学习，然后再去逐渐探索更复杂的东西。”

参考资料

1 原文：https://www.chemistryworld.com/features/dna-machines-get-a-move-on/4012993.article

2 https://science.sciencemag.org/content/338/6111/1159.full