可折叠,有机且易于分解:为什么DNA是纳米机器人的首选材料| 地平线杂志


医生知道我们需要更聪明的药物来仅针对坏人。 一个希望是,可以拯救规模达十亿分之一米的微型机器人,将药物直接输送到流氓癌细胞。 为了制造这些纳米机器人,欧洲的研究人员正在转向生命的基本组成部分-DNA。

如今,机器人具有各种形状和大小。 最强大的工业机器人之一可以举起重达两吨以上的汽车。 但是像硅这样的材料在最小规模上并不适合。

丹麦奥尔胡斯大学的化学家和DNA纳米技术专家Kurt Gothelf教授说,虽然您可以在固态硅中制作出非常小的图案,但实际上无法将其制作到100纳米以下的机械设备中。 那就是DNA的来源。“ DNA螺旋的直径只有2纳米,” Gothelf教授说。 一个红血球大约有6,000纳米。

乐高积木

意大利罗马大学的纳米技术专家TaniaPatiño博士说,DNA就像乐高玩具一样。 她解释说:“您拥有这些微小的构建基块,可以将它们组合在一起以创建所需的任何形状。” 为了继续进行类比,DNA具有四个不同的颜色块,并且其中两种颜色彼此相对。 这使它们可预测。

一旦将一行DNA块串联在一起,另一对将成对地配对。 科学家们学会了如何将DNA串在一起,从而引入分裂和弯曲。 戈瑟尔夫教授说:“通过巧妙的设计,您可以将DNA链分支出来,从而现在有了三个维度。” “很容易预测它如何折叠。”

帕蒂尼奥(Patiño)博士正在她的DNA机器人项目中开发自我推进的DNA纳米机器人。 她说,DNA具有高度的可调节性。 ‘我们可以拥有向我们展示哪些序列产生哪种形状的软件。 对于如此小规模的其他材料,这是不可能的。”

虽然DNA纳米机器人距离人类使用还有很长的路要走,但Gothelf教授说“在未来十年内,我们将不会看到任何以此为基础的药物”,但实验室正在取得进展。 科学家已经可以从病毒中获得一串DNA,然后使用软件设计较短的DNA片段,以将其配对并弯曲成所需的形状。 戈特尔夫教授说:“这种惊人的技术被称为DNA折纸。” 它使科学家能够创建由DNA制成的3D机器人。

作为一项早期突破,Gothelf教授的研究实验室制造了一个带盖打开的DNA盒。 后来,另一个小组建造了一个桶形机器人,当它识别癌症蛋白并释放抗体片段时可以打开。 人们一直在追求这一策略,以便有一天,DNA机器人可以接近一个肿瘤,将其束缚起来并释放其杀手cargo。

帕蒂尼奥博士说:“有了纳米机器人,我们可以针对肿瘤进行更具体的递送。” “我们不希望我们的药物被运送到整个身体。” 她在Francesco Ricci教授的实验室中,该实验室致力于DNA设备的检测,以检测抗体和输送药物。

同时,由Gothelf教授领导的DNA-Robotics网络正在培训年轻的科学家,以制造可以执行某些动作的DNA机器人零件。 戈特尔夫(Gothelf)教授正在研究类似于自行车手刹的“螺栓和电缆”,其中一个地方的力改变了DNA机器人的另一部分。 网络中的一个关键想法是“即插即用”,这意味着所构建的任何部件都将在未来的机器人中兼容。

“这有可能制造出全新的药物。”

丹麦奥尔胡斯大学Kurt Gothelf教授

血流

除了执行特定功能外,大多数机器人都可以移动。 DNA机器人的体积太小,无法逆着我们的血液游动,但是仍然可以使用酶将有用的小型引擎设计到其中。

Patiño博士之前曾开发出一种DNA纳米开关,可以感知其环境的酸性。 她的DNA装置还可以与一种自推式微电机一起工作,这要归功于一种酶,它可以与我们体内常见的脲酶分子发生反应,并可以作为动力来源。 帕蒂尼奥博士说:“化学反应可以产生足够的能量来产生运动。”

运动对于使纳米机器人到达所需的位置很重要。 帕蒂尼奥博士说:“我们可以将这些机器人注射到膀胱中,它们利用尿素酶吸收并移动化学能。” 将来,这种运动“将帮助他们以比不能运动的被动纳米粒子更高的效率治疗肿瘤或疾病部位。” 最近,Patiño等报道,装有纳米马达的纳米粒子在注入小鼠膀胱后比固定粒子分布更均匀。

纳米机器人可能不会穿过血液,而是能够穿过我们体内的障碍物。 Patiño博士指出,输送药物的大多数问题都归因于这些生物屏障,例如粘膜层。 那里的障碍可以阻止细菌,但是通常可以阻止毒品。 帕蒂尼奥博士的自走式DNA机器人可能会改变这些屏障的通透性,也可能只是通过它们进行开动。

稳定

纳米颗粒可以从患者的膀胱中排出,但是这种选择在体内其他地方并不是那么容易,在这种情况下,可能需要具有自毁能力的可生物降解机器人。 DNA是一种理想的材料,因为它很容易在我们体内分解。 但这也可能是不利的一面,因为人体可能会在完成工作之前迅速咀嚼DNA机器人。 科学家正在研究如何包覆或伪装DNA并加强化学键以增强稳定性。

另一个潜在的缺点是,裸露的DNA片段可以被免疫系统视为细菌或病毒敌人的标志。 这可能会引发炎症反应。 迄今为止,还没有将DNA纳米机器人植入人体内。 尽管如此,Gothelf教授对科学家可以解决这些问题充满信心。

确实,稳定性和免疫反应是mRNA疫苗的开发人员必须克服的障碍,因为mRNA疫苗的开发人员必须克服这些障碍,因为它们将遗传指令传递到体内的纳米粒子中。 Gothelf教授说:“ Moderna和Pfizer(BioNTech)疫苗(用于Covid-19)具有修饰的寡核苷酸链,该修饰的寡核苷酸链被配制在纳米囊泡中,因此它已接近小型的纳米机器人。” 他预见了DNA纳米机器人将药物精确地递送到所需位置的未来。 例如,药物可以通过特殊的连接器连接到DNA机械手,该连接器会被仅在某些细胞内发现的酶切割,从而确保药物在精确的位置释放。

但是DNA机器人技术不仅适用于纳米医学。 Gothelf教授正在将有机化学与DNA纳米机器人进行混合,以沿着仅一个分子宽度的导线传输光。 这可以进一步使电子设备小型化。 DNA机器人可以以最小的规模协助制造,因为它们可以使分子彼此之间的微小但精确的距离令人难以置信。

到目前为止,医学DNA机器人技术是大多数科学家梦dream以求的东西。 戈瑟尔夫教授说:“您可以使结构比今天的结构更智能,更具体。” “这有可能制造出全新的药物。”

本文中的研究是由欧盟资助的。 如果您喜欢这篇文章,请考虑在社交媒体上分享。



This article – “可折叠,有机且易于分解:为什么DNA是纳米机器人的首选材料| 地平线杂志
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