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納米"蜘蛛俠"爬向未來新應用:"我還在咿呀學步"
關鍵詞： 分子馬達 生物工程師 DNA—DNA DNA酶 分子機器 納米粒子 納米機器人 新應用 蜘蛛俠 自組裝
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在美國紐約市一個嘈雜的化學實驗室內，一只細長的蜘蛛正在燒杯底部翻越一堆折紙。這些折紙可不是什么由普通彩紙折成的實物，而是經過精心設計的DNA片段。這只蜘蛛也不是設計用來織網或是捕捉飛蟲的。其實，它是一種DNA納米機器人的雛形，未來某一天有可能為人類執行那些由于太小而無法完成的任務。
十數年來，科學家們一直在開發DNA納米機器，從微鑷到可以向左右跨步的雙腿“步行者”，不一而足。最近的分子機器人研究又向前邁進了一步，可讓DNA分子進行自我組裝并移動，而且這一切都將在沒有電池或信息存儲在其納米體內的情況下實現。這些機器將利用已編程入折紙中的天然DNA—DNA的相互作用力。
美國哈佛大學生物化學家施威廉表示，就像人們已經看到的，電子學已從計算器發展到iPhone 4，在對分子行為進行編程方面也正在發生著類似的爆炸式進展，這些進展最終會演變成更為復雜精致的工具，這些工具將能感知周圍環境，并在不傷害健康細胞的情況下將病變組織作為靶標。
最新的納米機器蜘蛛已做到有3條到4條腿，并能穿越折疊精美的DNA廣場。這些分子機器人中，有的完全依靠自己就能走上50步，其他的則能扭動臂膀進行運動，以獲取和隨身攜運納米粒子。
不過，你也別擔心，這些DNA蜘蛛俠不會很快就來接管我們的現實世界。此時此刻，它們更像是一個正在蹣跚學步的孩子，試探著感受它們穿越分子疆土的方式。隨著研究人員逐步揭開使這些納米爬蟲進行移動的基本原理，終有一天，這些納米機器人或許就能處理那些因為太小而連最先進的實驗室儀器都無法完成的任務。DNA蜘蛛或許能夠尋找和摧毀人體癌癥、組裝納米尺寸的醫療器械，并構建出比字母“i”上的圓點還要小得多的微型計算機。
學走步得先鋪路
要讓DNA自己發生移動可不是件容易的事。一般情況下，DNA在細胞中以扭曲的雙螺旋形式存在。它極其穩定和不易反應，只在被復制形成蛋白質等其他分子或是復制自身時才會解開螺旋體。
但近年來，科學家們已經了解了如何使用DNA的自身編碼來啟動它。DNA鏈具有4個基本的化學組成部分，簡寫為A、T、G和C。在常規的DNA中，這4個字母可組合出形成蛋白的編碼。在DNA蜘蛛中，這些字母則是推動其前行的基礎。
納米機器蜘蛛的每一條腿是由帶有專門設計的字母序列的一個單鏈DNA制成的。正如常規的DNA，一個鏈中的“A”的形狀正好與另一個鏈中的“T”相配，“C”則和“G”相配。通過綁定到合適的伙伴字母，這些蜘蛛的腿部就能黏住附近的DNA單鏈。
DNA折紙是美國加州理工學院合成分子生物學家保羅·羅斯蒙德于2006年發明的。他將單鏈DNA來回折疊，直到它們變成復雜的二維形狀：納米尺寸的三角形、星星和笑臉。然后，他設計更小的“短鏈”與鄰近的DNA折紙相匹配，以在合適的位置抓住這些形狀。只要將這些單鏈片段混在溶液中，這些形態各異的DNA就能進行自我組裝。
羅斯蒙德的自組裝DNA折紙為DNA蜘蛛形成了一條理想的行走軌道，并提供了一個較大的二維表面，科學家們可在其中對蜘蛛的行動進行指令編程。這樣，蜘蛛就沒有必要再隨身攜帶任何信息。
在折紙中，精選的短絲鏈將被拉長為特殊的DNA積木，以形成蜘蛛的爬行軌道。這些單鏈給平坦的表面增添了一個第三維度，像海床上的海藻那樣向上黏附在折紙上。由于它們的DNA字母序列和蜘蛛腿上的相匹配，這些短絲鏈就能把蜘蛛固定在表面，從而開辟出一條供蜘蛛行走的路徑。
這部分工作相對容易，而棘手的部分則是讓納米機器人抬腿，并邁向下一個鏈。