材料學的突破：DNA軟機器人以新陳代謝驅動

這是一種以 DNA 為原始材料來設計、組裝並運行的軟機器人新材料，它可以用自身新陳代謝來驅動，它也可以應用於生物檢測，並且有望做成便攜式的檢測裝置。

這是一項材料學的突破。這項研究來自美國康奈爾大學生物工程和環境工程系教授羅丹的實驗室，論文發表在《科學·機器人學》雜誌（Science Robotics ）。他接受了 DeepTech 的獨家專訪，詳細介紹了此項研究的來龍去脈以及應用前景。

圖丨該圖顯示，從 DNA 雙螺旋分子開始逐級有層次組裝，最後形成宏觀的有結構的類生命材料；在人工新陳代謝驅動下，可以自主逆流而上。（來源：SCIENCE ROBOTICS）

眾所周知，DNA 是生物遺傳材料，然而 DNA 也能作為納米級別的建築材料，羅丹實驗室近二十年前就率先合成了樹枝狀 DNA，並將其引入分子檢測，實現了 DNA 的納米條碼；它還可以和抗體鏈接，形成 DNA-抗體雜化分子，後者有望在高通量核酸檢測和靶向治療方面廣泛應用。

同時，羅丹實驗室創造出宏量的 DNA 水凝膠，可以廣泛應用於藥物傳遞和細胞三維培養，如今已經利用 DNA 水凝膠製造出蛋白質，能夠實現在無細胞系統生產大量的活性蛋白質，包括那些活細胞無法生產的蛋白質，這為藥物篩選和蛋白製藥提供了一條嶄新的途徑。另外，羅丹實驗室還設計研發出一種自然界不存在的超材料，DNA 超膠，後者具有既是固體又是液體的特徵，其動物實驗顯示，DNA 超膠能激發小鼠的天然免疫機制從而抑製小鼠的腫瘤生長。

這次 DNA 軟機器人材料正是在上述研究基礎上做出的。

此次羅丹團隊提出了一種全新的概念：類生命材料，將人工新陳代謝賦予給 DNA 水凝膠。

雖然這種“類生命材料”是第一次實現，還處於雛形階段，但已經能夠自發形成有層次、有組織的形狀，並能自主地逆流運動，甚至和另外的“類生命材料”賽跑。

這種“軟機器人”材料可以從 55 個核苷酸鹼基的 DNA 分子增殖形成幾毫米長的 DNA 水凝膠，這種膠體通過首端生長、尾端降解獲得動力，從微流系統中獲得“營養”，實現“人工新陳代謝”從而自主運動。

羅丹表示，期望“類生命材料”的誕生能夠開拓一個新領域，並在生物醫學上實現其它材料難以企及的應用。

圖丨 DNA 軟機器人的原理。（來源：SCIENCE ROBOTICS）

問：羅教授，你們為何選擇 DNA 材料作為研究課題呢，可否介紹一下這次研究的背景？

我選擇這個領域已經 20 年了。我在康乃爾大學化工系做博士後的課題之一是用多聚物材料做藥物遞送載體，就是用多聚物來遞送 DNA 藥物。後來自己留校獨立以後，馬上就想到 DNA 本身就是多聚物，我為什麽要用其他多聚物來遞送 DNA 呢？能不能把 DNA 當作多聚物來用呢？

其實多聚物有一個非常重要的特點，就是其拓撲結構。如果要想把 DNA 當作多聚物的話，我必須創造不同的 DNA 拓撲結構。而我博士論文研究課題之一正好是 DNA 拓樸異構酶，所以結合這些基礎，我自己實驗室的第一篇論文就是關於發明樹枝狀拓撲結構的 DNA 材料，發表在《自然·材料學》雜誌（Nature Material）。

做完這個研究以後我發現，有很多酶可以去作用 DNA。比如，只要你把 DNA 多聚物做成黏性末端回文結構，它就可以自己連接起來，那麽連起來的 DNA 分子在水溶液裡就是一種膠。於是我們完成了世界上第一個完全用 DNA 做成的水凝膠。

進而，我們認為可以把基因給放到 DNA 水凝膠的骨架上，這樣基因就不會擴散出去，所以在中心法則（注：遺傳信息從 DNA 傳遞給 RNA，再從 RNA 傳遞給蛋白質，即完成遺傳信息的轉錄和翻譯的過程）下，你就可以在無細胞系統中生產出蛋白，也就是說可以隻用 DNA 水凝膠來生成蛋白質，而不用活細胞。要知道，很多蛋白對細胞實際上是有毒性的，並且細胞不會讓某一種蛋白過量生產，而用 DNA 水凝膠的無細胞系統來生產蛋白質就不會有這樣的限制。

於是這個無細胞系統就成為了一個非常有應用前景的項目。後來我們還做了一種超材料（Metamaterials）, 超膠，既是固體又是液體的膠，它可以激發天然免疫系統，做成抗腫瘤藥物。

DNA 軟機器人材料這個課題有些歪打正著。我們當時想做的是生物檢測芯片，就是說血液或尿液流過的時候，芯片接觸到有病原菌的 DNA 就會發不同的光，這樣的話在顯微鏡下檢測有什麽光，就會知道有哪些感染。

但是我們在此研究過程中，我們突然發現DNA 在這個微流系統中像漁網一般纏繞起來，這些纏繞的 DNA 可以形成不同的圖案。然後我們就想到要把 DNA 材料做成類生命，是什麽意思呢？就是讓它有人工新陳代謝。

生命還有一個特徵就是從細胞到組織，再到器官、系統，它有一個層次組裝的結構。DNA 也是從核苷酸到 DNA 長鏈，然後組成染色體，所以材料本身要有組裝，自主形成層級結構。

人工新陳代謝需要有調控的合成和降解。DNA 合成和降解很容易實現，現在關鍵就是你怎麽把它們有機調控起來，尤其是要有反應時間和反應空間的控制，就像城市的自來水管或者高速公路，我們嘗試將其設計成一種有反饋有調控的結構。

這樣 DNA 在前方合成、後面降解，可以用最基礎的流體力學的計算機模擬，所以我們就設計了這種很微小的管道系統，把合成速度加快，降解的速度稍微慢一點，它整個結構就開始自動往前走。如果你合成的速度和降低速度都一樣的話，那就停留在原地了。

正好我的一個博士後是系統工程的博士，做過機器人研究，所以就很容易和軟機器人聯繫起來了。

問：DNA 軟機器人應用前景是我們很關心的一個問題。

比如生物檢測。DNA 軟機器人系統不同於熒光檢測，不需要定量檢測（當然將來也可以做到定量檢測），只需要看到有目標漁網結構出現，肉眼或智能手機就可以識別，那麽就是檢測出目標 DNA 了。

這個檢測系統的優勢是便捷，是便攜式的檢測裝置，你可以像血糖儀一樣隨時隨地使用。我們正在實現用智能手機來檢測。

這個系統也可以用於生產蛋白質，也就是在時空控制下進行無細胞蛋白質生產。這是一個更加高效的蛋白質生產系統，因為如果用傳統的細胞，首先需要培養細胞，而且每個細胞自己要生產數萬種蛋白質，你要的蛋白不可能被大量生產；而我們的無細胞系統就隻生產一種我們要的蛋白，這就讓系統的所有能量都隻用於生產這種蛋白，能量被高效地利用了。我們現在已經生產出 60 多種蛋白，而且都有活性。

問：如何理解這個 DNA 軟機器人系統的進化屬性？

我們希望這種材料可以進化。如果這個材料有人工新陳代謝，又可以自我複製，那麽它進化的可能性就存在了。同時因為你可以勘錯，可以設計，還可以控制代時（每代的時間），這種人工進化就值得進一步去探索。

問：你們在這個領域有商業化嘗試了嗎？

現在還沒有。這是世界上首次實現類生命材料，屬於最早期的研究，需要進一步地開拓。我們正在申請最基礎的專利，至於以後商業用途，就得看它從哪個方向發展出來。我曾經長期擔任康奈爾大學的技術轉移顧問委員會委員，對產業化技術轉移還是比較熟悉的。

羅丹介紹

美國康奈爾大學生物工程和環境工程系終身教授，本科畢業於中國科學技術大學生物學系，在美國俄亥俄州立大學獲得分子、細胞和發育生物學博士，之後在康奈爾大學化工系完成博士後訓練跳轉到工程領域，並於 2001 年留校擔任助理教授。2007 年獲得終身教職，2011 年晉升康奈爾大學生物工程和環境工程系正教授。羅丹實驗室致力於基於 DNA 材料的研究，把 DNA 當作既是生物遺傳分子又是建築納米材料，成果連續發表在近 20 篇自然子刊上（包括 Nature Biotechnology、 Nature Materials、 Nature Nanotechnology 等）。羅丹教授目前擔任許多國際雜誌的編委和許多國家（包括美國、中國、德國、愛爾蘭和新加坡等）國家級科技獎評委，受邀報告超過 200 次。2013 年，羅丹教授被同行遴選為美國醫學和生物工程院（AIMBE）College Fellow。

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參考：

https://robotics.sciencemag.org/content/4/29/eaaw3512

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