Science封面：看我这招提速百万倍的“无敌风火轮”

今天的主角并不是武林高手，而是DNA纳米机械臂。

机械臂和DNA，好像很难将这两个词扯上关系。多数人会直接将DNA和遗传信息划等号，而机械臂，难道不是那些在汽车制造流水线上舞动的大家伙吗？其实机械臂的应用早已不再局限于汽车制造领域，而DNA的功能也不仅仅是承载遗传信息。

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机械臂除了进入科研、精细电子产品制造等领域之外，科学家们也在开发纳米级别的机械臂，以更好更可控地进行纳米领域的研究。早期的纳机电系统，大多是通过刻蚀诸如硅之类的无机材料制作而成的。而DNA分子除了能承载遗传信息，同时也是一种结构精巧的一维纳米线，再加上基于碱基配对的DNA链自组装能力，DNA纳米技术如今已经成为横跨物理学、化学、生物学和工程学等学科的新兴领域，引起了越来越多科学家的关注。从早期的DNA图案到越来越复杂的DNA纳米结构，不同的研究者已经开始探索各种新的应用，包括材料的组装、结构生物学、生物催化、DNA计算、纳米机器人、药物输送等等。前不久，Nature 杂志还以封面文章的形式报道了加州理工学院钱璐璐教授团队的一种成本低廉的DNA折纸技术，^[1]  通过自组装形成完全自定义的结构，她们甚至用DNA创造了目前世界上最小的一副“蒙娜丽莎”画作。

DNA纳米技术的基础结构及的应用。图片来源：JACS ^[2]

基于DNA自组装的纳米机器人或者纳米机器发展十分迅速，驱动力多来自DNA杂交反应、光化学反应、酶催化等，几乎都存在系统慢、力量弱、效率低等难以克服的问题。近日，德国慕尼黑工业大学的Friedrich Simmel课题组在Science 杂志上发表文章，利用DNA纳米技术制备了一种高效纳米机械臂，在外加电场的驱动下，这种机械臂可以进行顺时针和逆时针的旋转，也可以在预设位置之间运动，其运动速度极快，角频率可高达25 Hz，比已知的DNA纳米技术要快上约百万倍。这种机械臂的定位精度也很高，约为2.5 nm。除了运动能力一流，这种DNA纳米机械臂还可在电场下运输分子及大小为数十纳米的纳米颗粒。该文章有望极大促进DNA机器人系统的发展，并被选为当期Science 的封面文章。

当期Science 杂志封面。图片来源：Science

视频来源：Science

首先，研究者利用了“DNA折纸（DNA origami）”技术构造了一块55 nm × 55 nm的刚性DNA基板，并在其上安装了一条25 nm长的机械臂，该机械臂由6螺旋的双链DNA构成。基板和机械臂由不配对碱基构成的柔性DNA链所连接。原子力显微镜（AFM）图像显示，基板和机械臂的厚度都在4 nm左右。

DNA机械臂结构示意图及表征。图片来源：Science

因为DNA带负电，所以在外加电场驱动下，就有可能受控地运动。之前的研究者用电场多是拉伸DNA分子，或者控制DNA分子的取向，或者电泳分离DNA分子，还从未用于DNA纳米机电系统构象的动态控制。为了验证这一想法，研究者设计了一种十字型的微型电泳装置，包含两条互相垂直的微流道，以及两对铂电极。DNA机械臂及其基板就设置在十字型微型电泳装置的正中心，如此以来，就可以精准的控制DNA的运动方向，诱导手臂相对于基板任意角度转动。

十字型微型电泳装置。图片来源：Science

研究者在DNA机械臂的一端连接上荧光标记，通过荧光显微镜就可以观测纳米机械臂的转动过程。该机械臂可以在电场驱动下实现顺时针与逆时针的快速转动，比之前报道的DNA马达等系统的运动快至少5个数量级。研究者甚至实现了角频率为25 Hz的高速转动，这比已知的DNA纳米系统的运动要快上6个数量级，提速达百万倍。

机械臂在电场下的快速转动。图片来源：Science

除了速度很快，这种DNA机械臂的运动可控性也很高。实验结果表明，无需在DNA基板上引入额外的对接序列，仅仅依靠计算机控制的电场，这种DNA机械臂的角定位精确度可达到约2.5 nm。如果加上了几个碱基对（bp）的对接序列，则DNA机械臂的定位会更加精确，这就意味着可以通过设置对接序列的方式精确控制DNA机械臂的定位。

引入对接序列的DNA机械臂。图片来源：Science

DNA机械臂能够快速运动，还能够精确定位，这二者加起来能实现什么样的应用呢？研究者尝试了用DNA机械臂来运输“货物”——分子或者纳米颗粒。无论是供体荧光基团分子Alexa Fluor 488还是25 nm长的金纳米棒（AuNR），都可以在DNA机械臂的带动下进行受控的运输。

DNA机械臂来运输分子（A）或者纳米颗粒（C/D）。图片来源：Science

与其他纳米技术联用，这种DNA机械臂还可以有更广阔的应用空间。研究者设想，如果可以通过类似的方式，组装出复杂的分子结构，就可以在原子水平实现生物分子的3D打印。又或者，多个DNA机械臂配合生产药物分子，在微观世界建造一个类似汽车生产线的全自动纳米药物生产线。尽管听起来有些不可思议，但是这项工作为DNA纳米器件的制备和调控开辟了新的方向。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields

Science, 2018, 359, 296-301, DOI: 10.1126/science.aao4284

参考文献：

1. Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns. Nature, 2017, 552, 67. DOI: 10.1038/nature24655

2. Structural DNA Nanotechnology: State of the Art and Future Perspective. J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 11198. DOI: 10.1021/ja505101a

（本文由小希供稿）