樊春海教授团队研制出单分子DNA巡航机器人

shiyue

蛋白质机器是细胞内发挥生理功能的重要单元。而化学家一直努力在试管中设计与合成人工分子机器，来模拟生物体内的天然分子机器的功能，并利用人工分子机器来构建单分子机器人等。近期，上海交通大学与中国科学院上海应用物理研究所、慕尼黑工业大学等单位合作研制了一种单分子DNA巡航机器人，并实现了纳米尺度的迷宫行走。该工作以“Solving mazes with single-molecule DNA navigators”为题在线发表于《自然-材料》杂志(Nature Materials 2018, doi: 10.1038/s41563-018-0205-3)。
  分子机器研究领域近年来得到了飞速发展，已经研制出利用光、电、化学能等来驱动的各种分子机器。然而，如何发挥分子机器的功能并实现一定的应用则存在很大困难。特别是常规的分子机器往往难以进行有序多级组装，这限制了利用分子机器构建特定功能器件或分子机器。DNA分子作为一种进化产生的遗传物质，具有卓越的碱基配对识别能力，可以实现精确的分子自组装，并且可以构筑出具有高空间分辨和定位能力的纳米结构。因而，DNA纳米结构已在纳米电子学、纳米光子学、单分子催化等研究领域中发挥了重要作用。上海交通大学化学化工学院樊春海教授与同济大学柳华杰教授（原上海应用物理研究所研究员）、慕尼黑工业大学教授Fritz Simmel等合作，通过将DNA杂交链式反应精确“锚定”到DNA纳米结构上，可以实现在纳米界面上沿着设计路径的分子级联反应。借助于原子力显微镜和超分辨显微镜等单分子成像技术，研究者可以清晰观察到DNA分子机器人的行走轨迹。该DNA分子机器人在引发信号链的作用下，可以在沿着预先设定的路径直线或转弯行走。
  为了展示这一DNA分子机器人的智能运算能力，他们在DNA纳米结构上设计了一个迷宫，利用DNA分子机器人的并行运算能力来求解这个迷宫问题。迷宫有唯一的入口（A）和唯一的出口（J），以及四个非出口的终点（C，F，G，H）。在DNA分子机器人行走过程中，每个结构上DNA分子会从起点开始，走向一个终点，或者走向出口。通过单分子成像，他们观察到了DNA分子行走过的所有路径，从而可以获得迷宫正确行走路径的解。这种将DNA分子反应与智能运算的有机结合，为发展单分子智能传感和疾病诊疗提供了新思路。

图1：单分子DNA巡航机器人的设计。a：纳米尺度的巡航机理；b：链式反应原理；c：直线巡航的超分辨成像结果；d：复杂线条巡航的原子力表征结果。

图2：单分子DNA巡航机器人的动力学测试。a：动力学测试路径示意；b：逐步巡航的动力学测试原理；c：全内反射荧光技术（TIRF）表征逐步巡航动力学；d-e：巡航动力学分析。