纳米前沿科技——DNA机器人

作为纳米前沿科技快速发展的产物，加州理工大学“钱实验室”的DNA机器人步子又小又缓慢。它走一步需要5分钟，步长6纳米，差不多是人类一步的600万分之一。
 

它只有20纳米长，大约是一粒米的千分之一。它看起来像根线虫，身子细长，没有脸，蛇一般缠来缠去。它的活动场地是一块DNA合成物的平板，隐藏在试管里——因为太小了，需要被注射进去。
 

板子上分布着两种颜色的分子小球。这条“线虫”游来游去，捡起小球送到指定的位置。两种颜色分开摆放。
 

它是世界上首例可以同时完成行走、抓起、放下和分类工作的DNA机器人。今年9月，《科学》杂志发表了有关它的论文。
 

“这是DNA机器人的重要一步。”杜克大学工程学教授约翰·赖夫说。他自21世纪初就开始关注DNA合成研究的发展。
 

对更多人来说，这段跋涉还在肉眼无法看见的维度之中。
 

DNA机器人和出现在大众媒体上的机器人不太一样。后者的代表是由施瓦辛格扮演的硬汉“终结者”或拖着履带条的大眼睛瓦力。而据钱实验室的管理者、加州理工大学助理教授钱璐璐介绍，自己实验室的这个小家伙在不和其他同伴缠绕时，差不多就是“一条软软的弹力绳”。
 

和那些金属家伙不同，它的血肉由核苷酸构成。后者也是脱氧核糖核酸，即DNA的组成物。这也是它名字的由来。
 

20世纪80年代，一名叫纳德里安·西曼的纽约晶体学家逐渐意识到，大名鼎鼎的DNA不仅仅是生命秘密的所在，还可以是一种绝佳的建筑材料。
 

西曼那会儿留着大胡子，是个喜欢在讲座里开玩笑的年轻教授。他在实验室的工作进行得不太愉快——通过改变条件不断实验析出结晶，以期获得理想的分子成果，却总是不尽人意。
 

他突然开了脑洞：能不能让核酸自己组合出结果呢？
 

毕竟，这是大自然做了千万年的事情，建筑是DNA与生俱来的能力。
 

众所周知，DNA是两条缠绕在一起的双螺旋。具有互补序列的核苷酸，即A和T、C和G相遇，一定会配上对，伸出小触手紧紧握住对方，搭出螺旋向上的阶梯。
 

从这个角度来看，纳米生物学实验一下子变成了妈妈织毛衣。只要将序列互补的DNA丢在一起，它们自然会组合出成果。不需要粘合剂，不需要楔子和钉枪，化学承担了所有工作。线头互相缠绕，毛线延伸的方向千变万化，可以彼此正着缠、反着缠、夹花儿缠。
 

编织毛衣的“毛线”从DNA上切割下来，刀子则是限制酶。被切下的长长DNA缕(strand)并不像毛线那样光滑，而长着大大小小蜈蚣脚式的尖端。那些格外突出的尖端被称作黏状末端，顾名思义，可以在未来的编织中起到粘连的作用。它们是毛衣的线头。
 

通过织毛衣式的人工合成，1982年，西曼获得了一副DNA编就的井字花。实际上，30年来，这个领域的成果图仿佛一本大型毛线手工书。
 

西曼和他的后继者不断使用新的编码，改变切割的长短，变换缠绕的方式，制造出花样繁多的DNA分子结构成果。有连续不断如罗马地砖式的2维图案，也有3维的绣球，甚至可以在分子平面上排列出一个笑脸。DNA的“毛线”恪尽职守地排列组合，仿佛运动会开幕式上的团体操表演。
 

DNA人工合成物不仅能组成静态的图案，还能造就可以自主动作的机器人。人类能通过编码来设计合成物的运动方式。
 

这同样少不了自然的帮忙。DNA是编码的天然材料。它能储存大量信息，因此可以被设计进行活动。编码的基础简洁明了——序列。此外，很多信号能够被转化成自然信号。
 

钱璐璐团队的机器人拥有两只“脚”，一条“手臂”和一只“手”。它活动在一个一个特殊的分子表面上，这个平面由短促的DNA合成物组成，像一块钉板。钉子上散落安放着需要被分类的小球。
 

机器人的脚和钉子上都被安放了DNA片段。序列互补，片段彼此吸引，脚就在钉子上踩实了。长条状的机器人从而稳稳地攀上钉子，像一只蛇蜿蜒爬上短桩。
 

通过编码，两只脚不能同时踩在一颗钉子上。当机器人行动时，它只需用闲着的那只脚攀上想到达的那颗钉子，踩在原来钉子上的脚就会自动松开。它悠游在钉板上，像深草间跃动的一只弹簧。
 

机器人对小球的分类同样是依靠序列的帮忙实现的。小球上带有两截DNA片段，一截吸引机器人自由晃动的手掌，从而能被拾起。一截吸引目的地的钉子，从而能被放下。两种不同颜色的货物要被送到不同的目的地，因此配对的标记不一样。
 

工作时，机器人被设计遵循最简单的行为法则：乱逛、随缘。你家的扫地机器人满屋乱转，遇到灰尘就吃掉，DNA机器人也如此。手里空空时，遇见货物就捡起来。拿着货物时，遇到目的钉子就放下。
 

“这样的漫游不会耗费一点儿能量。”钱璐璐说。
 

“真是美丽的工作。”一位化学家在自己的视频网站频道对此评价道，“说起机器人，总会想到机械控制和电脑，而她们看到了其他的方向、自然的一面。”
 

“它们可以抵达人类到不了的地方。机电机器人被送去火星，它们则可以被送到血液循环里，精准运输送达药物。”钱璐璐对媒体表示。
 

钱璐璐团队的“弹力绳”并不缺少同类。近10年间，科学家运用人工合成DNA制造出了不同功能的分子机器人。
 

一个长得像带盖小水桶的家伙可能是打击癌症的最新武器。2012年9月，韦斯生物启发工程研究所在《科学》上发表论文，推出了一种新型DNA机器人。

水桶内盛放着药物，水桶外壁装着锁——双螺旋紧紧缠绕，筒体的两部分因而牢牢闭合，保证药物不洒出来。
 

打开锁的钥匙是一种特定的蛋白。一旦锁上的一小缕DNA识别到了这种蛋白，会转而附着在上面，从而松开锁体的螺旋，打开整个水桶。