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上海交大化学化工学院樊春海团队研制出单分子DNA巡航机器人

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。

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。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。

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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。

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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。

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(原为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。

论文链接https://www.nature.com/articles/s41563-018-0205-3

李茜
化学化工学院