纳米"蜘蛛侠"爬向未来新应用:"我还在咿呀学步"

2010年10月26日11:00 | 中国发展门户网 www.chinagate.cn | 给编辑写信 字号:T|T
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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“过河拆桥”为向前

其中的一个解决方法是,使用蜘蛛腿中的DNA酶来剪断这个短丝链。被毁坏了的链会将蜘蛛腿连根拔起,允许它移向仍完好无损的下一个链。

美国哥伦比亚大学化学家米兰·斯托亚诺维奇就使用此种剪切方法完成了他的能自行行走的三腿DNA蜘蛛。他和同事在5月13日的《自然》杂志上报告说,它们可脱离轨道无障碍地行走50步以上。

在过去,两腿蜘蛛一直存在的问题是,有时会同时抬起双腿,这样一旦脱离了轨道便会漂浮起来。而三腿蜘蛛则有更多的机会让其在任何时候都能保持一条腿在路面上。斯托亚诺维奇表示,蜘蛛的腿越多,其黏性也越大,行走的步数也越多。

斯托亚诺维奇的蜘蛛有一个额外的附件,可像锚一样只与折纸上的“起始”链进行绑定。当研究人员添加一个可拔除蜘蛛锚的DNA片段时,蜘蛛就开始沿着轨道上的其他链爬动。

因为蜘蛛在行走时已被剪切了链,其身后的DNA轨道便会消失殆尽。因此,蜘蛛最大的可能就是向前走,而不是往回走。沿着65纳米至90纳米折纸区域内陈设的轨道,蜘蛛便可以不借助外力直行、拐弯。经过约30分钟,蜘蛛到达腿部的酶未被剪切的“终止”链。任务终告完成。

斯托亚诺维奇说,他的下一个目标将是增加蜘蛛的步行数目,在折纸中编排更复杂的动作。他还希望设计出可互联在一起的蜘蛛,以合作完成一项任务,甚至让蜘蛛也可以像蚂蚁等昆虫那样能够“读懂”彼此的路径。未来某一天,这些蜘蛛也许能围着细胞膜进行爬动,识别疾病细胞并帮助摧毁它们。不过,“这还只是一个梦,不是不久的将来就能实现的事情”。

为了让这个梦想成为现实,这些爬虫必须甩掉它们的人造DNA轨道,能穿越像细胞表面那样更加自然的景观。但由于细胞膜并不能掩在DNA内,蜘蛛将被设计成能与一个不同的分子相互作用,这个分子或许是科学家插入细胞内的一个媒介蛋白。

“这是一个缓慢的过程,”斯托亚诺维奇说,“如果你想看到这样的事情发生,你就必须要经过我们正在经历的阶段。”

也能学走回头路

一个剪掉了身后轨道的自主蜘蛛存在的问题是,折纸在蜘蛛跑过一次后便无法再用了。“如果你的汽车走到哪,就把路毁到哪,你就不得不重新筑路,这将耗费掉大量的能量。”英国牛津大学物理学家安德鲁·图尔波菲尔德说,“一辆边开边毁路的汽车是永远得不到欢迎的。”

图尔波菲尔德目前正在研究既能让蜘蛛移动又不会摧毁移动轨道的方式。他的研究小组已经提出了一个想法,那就是使一个双足机器蜘蛛以体操运动员的滚翻动作沿着一个可重复使用的DNA链前行。

一个添加到周围溶液中的“燃料”链可抬起机器蜘蛛的后腿,于是,蜘蛛便可翻转过来,在轨道上向前迈进。它还可以简单地通过切换到能与前腿反应的“燃料”链而实现后退。

这种纳米机器人的灵感来自于驱动蛋白,驱动蛋白是一种天然分子马达,其能围绕细胞运送“货物”。驱动蛋白的两条腿非常协调,始终是先抬后脚向前迈进。

“我们正在寻找什么细胞能与分子马达相配合,并试图仿效这个细胞。”图尔波菲尔德说,“如果你从生物学中得到了灵感,那么你就出不了大错。”

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