化院樊春海教授團(tuán)隊(duì)研制出單分子DNA巡航機(jī)器人
蛋白質(zhì)機(jī)器是細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮生理功能的重要單元。而化學(xué)家一直努力在試管中設(shè)計(jì)與合成人工分子機(jī)器，來模擬生物體內(nèi)的天然分子機(jī)器的功能，并利用人工分子機(jī)器來構(gòu)建單分子機(jī)器人等。近期，上海交通大學(xué)與中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所、慕尼黑工業(yè)大學(xué)等單位合作研制了一種單分子DNA巡航機(jī)器人，并實(shí)現(xiàn)了納米尺度的迷宮行走。該工作以“Solving mazes with single-molecule DNA navigators”為題在線發(fā)表于《自然-材料》雜志(Nature Materials 2018, doi: 10.1038/s41563-018-0205-3)。
分子機(jī)器研究領(lǐng)域近年來得到了飛速發(fā)展，已經(jīng)研制出利用光、電、化學(xué)能等來驅(qū)動(dòng)的各種分子機(jī)器。然而，如何發(fā)揮分子機(jī)器的功能并實(shí)現(xiàn)一定的應(yīng)用則存在很大困難。特別是常規(guī)的分子機(jī)器往往難以進(jìn)行有序多級組裝，這限制了利用分子機(jī)器構(gòu)建特定功能器件或分子機(jī)器。DNA分子作為一種進(jìn)化產(chǎn)生的遺傳物質(zhì)，具有卓越的堿基配對識(shí)別能力，可以實(shí)現(xiàn)精確的分子自組裝，并且可以構(gòu)筑出具有高空間分辨和定位能力的納米結(jié)構(gòu)。因而，DNA納米結(jié)構(gòu)已在納米電子學(xué)、納米光子學(xué)、單分子催化等研究領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用。上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院樊春海教授與同濟(jì)大學(xué)柳華杰教授（原上海應(yīng)用物理研究所研究員）、慕尼黑工業(yè)大學(xué)教授Fritz Simmel等合作，通過將DNA雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)精確“錨定”到DNA納米結(jié)構(gòu)上，可以實(shí)現(xiàn)在納米界面上沿著設(shè)計(jì)路徑的分子級聯(lián)反應(yīng)。借助于原子力顯微鏡和超分辨顯微鏡等單分子成像技術(shù)，研究者可以清晰觀察到DNA分子機(jī)器人的行走軌跡。該DNA分子機(jī)器人在引發(fā)信號(hào)鏈的作用下，可以在沿著預(yù)先設(shè)定的路徑直線或轉(zhuǎn)彎行走。
為了展示這一DNA分子機(jī)器人的智能運(yùn)算能力，他們在DNA納米結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了一個(gè)迷宮，利用DNA分子機(jī)器人的并行運(yùn)算能力來求解這個(gè)迷宮問題。迷宮有唯一的入口（A）和唯一的出口（J），以及四個(gè)非出口的終點(diǎn)（C，F(xiàn)，G，H）。在DNA分子機(jī)器人行走過程中，每個(gè)結(jié)構(gòu)上DNA分子會(huì)從起點(diǎn)開始，走向一個(gè)終點(diǎn)，或者走向出口。通過單分子成像，他們觀察到了DNA分子行走過的所有路徑，從而可以獲得迷宮正確行走路徑的解。這種將DNA分子反應(yīng)與智能運(yùn)算的有機(jī)結(jié)合，為發(fā)展單分子智能傳感和疾病診療提供了新思路。
圖1：單分子DNA巡航機(jī)器人的設(shè)計(jì)。a：納米尺度的巡航機(jī)理；b：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理；c：直線巡航的超分辨成像結(jié)果；d：復(fù)雜線條巡航的原子力表征結(jié)果。
圖2：單分子DNA巡航機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)測試。a：動(dòng)力學(xué)測試路徑示意；b：逐步巡航的動(dòng)力學(xué)測試原理；c：全內(nèi)反射熒光技術(shù)（TIRF）表征逐步巡航動(dòng)力學(xué)；d-e：巡航動(dòng)力學(xué)分析。
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