未来可能会有DNA纳米机器人给你做手术

目前，在许多领域，智能机器人已经能够帮助人类完成高风险和困难的任务。如今，机器人不再仅仅是“钢铁战士”。生命的基本物质——DNA(脱氧核糖核酸)赋予纳米机器人“血肉”。

这种“麻雀虽小五脏俱全”的DNA机器人可以执行纳米尺度的任务，因此可以在人体细胞中发挥作用，这也让很多研究者看到了它在医学领域的广阔前景。中国科学院院士、上海交通大学化学化工学院教授樊春海在11月1日举行的第三届世界顶尖科学家论坛报告厅，就DNA制成的纳米机器人做了专题报告，表达了他对DNA机器人治疗疾病的乐观设想。他相信有一天，基于DNA的机器、基于DNA的自组装机器、基于DNA的纳米机器人可以用来治疗人类疾病。

框架核酸增强DNA机器人的“智能”

“DNA纳米机器人的核心技术是DNA折纸技术。在此基础上，集成了一些可控的机制，使DNA不仅可以折叠成各种结构，还具有动态的机械功能，可以称之为‘机器人’。”天津大学化学工程学院教授、博士生导师齐昊表示，虽然DNA纳米机器人不同于传统意义上的电子机器人，但之前可以构建的生物分子并不具备这些动态功能，DNA折纸技术有助于实现分子的自组装，因此可以赋予其一些动态控制功能，使其更加智能。

“不同形式的DNA结构也称为框架核酸。通过使用DNA折纸技术，将DNA片段连接成“纸”，经过设计和堆叠，我们构建了自己想要的外观，实现了自组装核酸结构的人工设计。这种折叠的框架核酸具有可编程的尺寸、形状和机械特性。有了这些DNA框架结构，科学家可以精确地组织纳米范围内的小分子，使其成为构建纳米药物的有效平台。”齐昊介绍说，机器人的“骨架”可以通过DNA折纸技术来构建。

与传统的DNA相比，DNA框架具有更稳定的结构，在体内不易被核酸外切酶降解，因此能够更准确有效地进入细胞，将靶向药物输送到人体。

框架核酸可以给机器人一些动态功能，这些功能是可控的。“DNA机器人可以实现很多功能，比如DNA行走、识别、结构开合等。这些技术都是通过DNA序列设计技术实现的。序列设计是基于DNA链之间的识别来控制配对。”齐昊说，比如DNA机器人行走，就是根据核苷酸互补配对原理，A、T、C、G四个碱基可以成对连接，形成双链。基于这一原理，设计了具有特殊序列的DNA“桩”，就像是用来踩踏DNA机器人的砖块。当机器人的一只脚踩在正确的“桩”上时，腿会快速进行碱基配对，另一只脚会随机选择一个正确的“桩”，然后踏出下一步，踩在上一桩上的那只脚就会变得自由。

“其实很多高分子材料都可以做出动态功能，比如温度和硬度的变化，材料也可以‘移动’实现智能化。而DNA作为机器人之所以引起如此大的关注，是因为DNA折纸术可以在如此小的尺度下折叠更复杂的结构，使得DNA机器人更加可控和灵敏。”齐昊介绍说，目前DNA序列设计技术发展很快，出现了很多软件，可以精确设计DNA链间相互识别和相互作用的序列。

可与更多物质结合，实现更复杂的功能

“当初我学习DNA折纸，主要是通过DNA折纸和组装，做了一个结构来实现各种功能。现在越来越多的研究人员将DNA与生物酶等其他分子结合，以实现更复杂的功能。”齐昊说，例如，就像去年一样，一些研究人员基于DNA折纸技术固定了纳米金和生物酶，并对它们进行了精确控制。相当于把DNA折纸做成分子生物芯片，然后固定各种生物元素，实现更复杂的分子功能。

“这种DNA折纸，折叠一个高精度的核酸框架，然后将不同功能的生物分子精确固定在框架上，实现各种生物功能，是未来DNA机器人的主要发展趋势。”齐昊说，但是这些生物分子固化后，如何设计生物功能，如何使它们协同工作，是后期需要解决的一些问题。

目前DNA机器人的效率也有待提高。比如加州理工学院的钱露露教授开发的移动DNA机器人，一步走5分钟，一步只能移动6纳米。一个机器人将六种不同的“货物”运送到指定的地点需要将近一天的时间。

“在低效率的同时，成本也很高。每个DNA机器人的加工成本都很高，如果需要大量使用，成本会更高。”齐昊解释说，这是因为，例如，执行一项任务需要100个DNA机器人，目前不可能精确控制每个DNA机器人执行命令。如果几个机器人“沙漠”，完成任务的效率会更低，成本也会相应增加。

它可以成为智能升级的靶向药物载体

“在医学领域，DNA机器人将被用于向一些肿瘤或癌症患者输送靶向药物，或者制造纳米级设备组件，并成为精密医学的加速器。”齐昊进一步解释说，以前，药物被制成小分子，漫无目的地扩散到人体的各个部位。后来出现了靶向药物，即在药物中加入识别病变的分子靶标。而DNA机器人可以用来制作智能升级的靶向药物。

齐昊强调，DNA机器人本身并不治病，只是一个载体，可以将药物精确地运送到病灶或病灶周边，进行精确的操作和给药，增加现有药物的药效。

DNA机器人除了搬运货物、识别、运输和卸载药物之外，还可以装载更多的“逻辑门”，实现更多的功能和操作。齐昊说，例如，研究人员曾经制造了一个脱氧核糖核酸机器人盒子，它可以携带治疗肿瘤的药物。通过设计识别功能，“盒子机器人”可以通过识别预先设计的分子信号，准确找到肿瘤细胞，打开盒子的门。这种开门操作可以设计“与”或“或”的逻辑门，满足两个条件或满足两个条件之一时开门。

脱氧核糖核酸机器人可以在纳米尺度上完成如此多的复杂操作，这使得研究人员看到了它在医学领域的广阔前景。有专家说，这个微型机器人甚至可以完成定位和操作一个小操作。

但是像大多数新事物一样，DNA机器人用于医疗时，还有很多关键问题需要解决，其中最重要的就是生物安全。

DNA是人类的遗传信息。用DNA作为机器人进入人体细胞进行治疗，相当于外源DNA进入人体。它可能与人类DNA相互作用，整合到人类基因组中，从而影响人类遗传信息的稳定性。

“目前，研究人员还在研究DNA机器人的构造层面，它的功能还没有那么强大。一旦未来DNA机器人技术成熟并进入应用层面，生物稳定性、安全性等问题将凸显出来。”齐昊说。

(记者陈)