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2021年7月9日 星期五

DNA Nano-robots kill cancer tumors

禾企 SHANY 紅外線 熱顯像儀 熱成像 熱顯測溫 100% 台灣製造

來源: 机器人库

提到機器人,大家腦海中浮現出的第一印象,可能都是那些長得似人非人,有著鋼筋鐵骨的呆萌機器。


但與大家的直觀感受有所不同,其實「機器人」這一概念的定義非常寬泛,凡是能自主執行任務,用來協助人類工作的人造裝置,都能算做是機器人。所以廣義上說,生產線上的裝配機,食堂裡切刀削麵的奧特曼,乃至家裡常見的滾筒洗衣機,都屬於機器人的範疇。

而有一類特殊的新概念「機器人」,既沒有鋼鐵身軀,也沒有電子元件,這種讓人感覺摸不著頭腦的「機器人」,就是奈米機器人了。
什麼是奈米機器人?
通俗來講,所有能夠在奈米(也包括幾微米)尺度上完成任務的東西,都能算作奈米元件,其中當然也包括細胞內,合成蛋白的核糖體,溶解細胞廢物的溶酶體,在細胞間傳輸信號的外泌體等等。

但如果說他們是機器人,還差了一個非常重要的因素,那就是人工製造。與這些天然奈米原件相似,奈米機器人也是在奈米尺度上,執行化學或生化任務,構成這些奈米機器人的,一般也不是電子元件,而往往是一些有機分子(也有可能帶有金屬等無機部件)。

驅動它們運行的,一般也不是宏觀機器人常用的電能,而是天然奈米原件中,常見的生物化學反應。而奈米機器人和天然奈米原件的主要區別,就是奈米機器人執行的,不是老天爺在幾百幾千萬年前制訂的任務,而是設計他們的科學家開的腦洞。

奈米「領航員」機器人
近日,上海交通大學和中科院上海應用物理研究所的科學家們,就開發出了一種很有趣的奈米「領航員」機器人(發表在nature material,自然。材料上)。它們使用DNA「摺紙」(DNA origami),製作了一種奈米尺度的方形二維結構,然後在上面的特定路線,留下發夾狀的DNA分子路標。

之後再加入能「啟動」這些路邊的啓動子(只需要一個喲)和用於促使反應持續的「燃料」分子,單分子鏈式反應,就能沿著設計者留下的分子路標向前推進。


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這個米領航員機器人的工作方式很像大家常見的多米諾骨

看著很暈是不是?下面我用人話來翻譯一下。大家想像一下,二維的DNA摺紙,就像一塊地板。在地板上,有一排用DNA分子,做成的多米諾骨牌,在沒有啓動分子的情況下,這些骨牌都是穩定得立著的,但當你向骨牌的一端,扔下一塊啓動分子的時候,這些骨牌就會依次朝著另一端倒下,從而使倒下的骨牌,形成一條明顯的,通向另一端的路徑。

但與能同時觸發多條分叉路徑的多米諾骨牌不同,在這個奈米領航員的骨牌遊戲裡,如果留下的DNA路標,被做成了有多條分叉的迷宮,單分子「領航員」就只會隨機,沿著其中的一條路徑向前延伸(也有可能走到死路)。

不過,這樣的一張奈米摺紙,比大家用來玩骨牌的地板要小得多,也就是說可以在不大的面積裡,同時放下許多這樣的DNA奈米摺紙。

哪怕單個單元裡,「分子領航員」找到正確路徑的概率不大,只要有足夠多的奈米摺紙,總有一些運氣比較好的分子領航員,會找到走出迷宮的最佳路徑。


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被大量領航員米機器人暴力破解的迷宮路徑

簡而言之,在這個奈米骨牌系統裡,每一片DAN奈米摺紙,和它上面的分子領航員,都可以被看成一個計算單元。由於一片摺紙只有奈米尺寸,可以在微米尺度的面積內,放下許多個計算單元,擁有可觀的計算能力。

這種特性可以被用來,用枚舉法「暴力破解」奈米迷宮,也有希望被用來製造奈米級別的分子感測結構。從這種意義上說,這個系統,被稱為奈米「機器人」,或者說分子電腦,也算當之無愧了。

奈米機器人:精確打擊實體腫瘤
基於有機分子的「奈米機器人」,遠不止有暴力破解奈米迷宮,這一種聽起來不太貼近生活的功能。前一段時間,我們曾經報導過,亞利桑那州立大學和中國奈米科學中心的科研人員,開發出了一種同樣是基於DNA摺紙技術,且可以精確打擊實體腫瘤的「奈米機器人」,該文章發表在2018年二月的nature biotechnology (自然,生物技術)。

簡而言之,這個奈米機器人在被注射入體內之後,可以利用外表攜帶的腫瘤特異性配體(aptamer),辨識腫瘤富集的局部環境,並在找到這種特殊的靶點環境之後,由筒狀展開成片狀,露出內部攜帶的能殺傷實體腫瘤的藥物 (在他們的設計中是凝血酶)。其工作機理,非常類似於現代戰爭中常用,能尋找攻擊目標,並在到達目標後,才起爆的精確制導巡航導彈。


机器人放进血管可以饿死肿瘤?

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抗腫瘤奈米機器人,兩邊的綠色DNA配體用來辨識腫瘤細胞,中間攜帶的紫色物體,是抗實體瘤所用的凝血酶 上圖為巡航狀態,下圖為攻擊狀態

除了上文中介紹到的兩種奈米機器人之外,還有很多種用於精確給藥等功能的奈米機器人,其中的一些聽起來非常科幻,已經超出了作者的瞭解範圍,在此就不班門弄斧了。

值得注意的是,而包括本文詳細介紹的,兩種技術在內的,幾乎所有奈米機器人,都不需要電能驅動,它們的工作過程,高度依賴於它們自己的特殊物理性質,和高度特異的化學反應。這就導致了它們的設計和製造過程,不僅非常複雜,而且成本高昂。

我相信,如何讓這些高端大氣上檔次的新概念奈米機器人,逐步走入尋常百姓的生活,將會是很多科學家在未來一段時間內,努力的目標。讓我們拭目以待吧!

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