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纳米"蜘蛛侠"爬向未来新应用:"我还在咿呀学步"
关键词： 分子马达 生物工程师 DNA—DNA DNA酶 分子机器 纳米粒子 纳米机器人 新应用 蜘蛛侠 自组装
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在美国纽约市一个嘈杂的化学实验室内，一只细长的蜘蛛正在烧杯底部翻越一堆折纸。这些折纸可不是什么由普通彩纸折成的实物，而是经过精心设计的DNA片段。这只蜘蛛也不是设计用来织网或是捕捉飞虫的。其实，它是一种DNA纳米机器人的雏形，未来某一天有可能为人类执行那些由于太小而无法完成的任务。
十数年来，科学家们一直在开发DNA纳米机器，从微镊到可以向左右跨步的双腿“步行者”，不一而足。最近的分子机器人研究又向前迈进了一步，可让DNA分子进行自我组装并移动，而且这一切都将在没有电池或信息存储在其纳米体内的情况下实现。这些机器将利用已编程入折纸中的天然DNA—DNA的相互作用力。
美国哈佛大学生物化学家施威廉表示，就像人们已经看到的，电子学已从计算器发展到iPhone 4，在对分子行为进行编程方面也正在发生着类似的爆炸式进展，这些进展最终会演变成更为复杂精致的工具，这些工具将能感知周围环境，并在不伤害健康细胞的情况下将病变组织作为靶标。
最新的纳米机器蜘蛛已做到有3条到4条腿，并能穿越折叠精美的DNA广场。这些分子机器人中，有的完全依靠自己就能走上50步，其他的则能扭动臂膀进行运动，以获取和随身携运纳米粒子。
不过，你也别担心，这些DNA蜘蛛侠不会很快就来接管我们的现实世界。此时此刻，它们更像是一个正在蹒跚学步的孩子，试探着感受它们穿越分子疆土的方式。随着研究人员逐步揭开使这些纳米爬虫进行移动的基本原理，终有一天，这些纳米机器人或许就能处理那些因为太小而连最先进的实验室仪器都无法完成的任务。DNA蜘蛛或许能够寻找和摧毁人体癌症、组装纳米尺寸的医疗器械，并构建出比字母“i”上的圆点还要小得多的微型计算机。
学走步得先铺路
要让DNA自己发生移动可不是件容易的事。一般情况下，DNA在细胞中以扭曲的双螺旋形式存在。它极其稳定和不易反应，只在被复制形成蛋白质等其他分子或是复制自身时才会解开螺旋体。
但近年来，科学家们已经了解了如何使用DNA的自身编码来启动它。DNA链具有4个基本的化学组成部分，简写为A、T、G和C。在常规的DNA中，这4个字母可组合出形成蛋白的编码。在DNA蜘蛛中，这些字母则是推动其前行的基础。
纳米机器蜘蛛的每一条腿是由带有专门设计的字母序列的一个单链DNA制成的。正如常规的DNA，一个链中的“A”的形状正好与另一个链中的“T”相配，“C”则和“G”相配。通过绑定到合适的伙伴字母，这些蜘蛛的腿部就能黏住附近的DNA单链。
DNA折纸是美国加州理工学院合成分子生物学家保罗·罗斯蒙德于2006年发明的。他将单链DNA来回折叠，直到它们变成复杂的二维形状：纳米尺寸的三角形、星星和笑脸。然后，他设计更小的“短链”与邻近的DNA折纸相匹配，以在合适的位置抓住这些形状。只要将这些单链片段混在溶液中，这些形态各异的DNA就能进行自我组装。
罗斯蒙德的自组装DNA折纸为DNA蜘蛛形成了一条理想的行走轨道，并提供了一个较大的二维表面，科学家们可在其中对蜘蛛的行动进行指令编程。这样，蜘蛛就没有必要再随身携带任何信息。
在折纸中，精选的短丝链将被拉长为特殊的DNA积木，以形成蜘蛛的爬行轨道。这些单链给平坦的表面增添了一个第三维度，像海床上的海藻那样向上黏附在折纸上。由于它们的DNA字母序列和蜘蛛腿上的相匹配，这些短丝链就能把蜘蛛固定在表面，从而开辟出一条供蜘蛛行走的路径。
这部分工作相对容易，而棘手的部分则是让纳米机器人抬腿，并迈向下一个链。