2016年諾貝爾化學獎頒給了三位研究分子機器的化學家，獲獎理由是「分子機器的設計與合成」。他們透過有機分子合成製造了分子機器，把科幻照進了現實。如今利用可程式化的生物材料－DNA，生物化學家和生物物理學家創造出具有各項功能的DNA機器。來看看這些前沿實驗室裡他們搗鼓出了什麼，DNA機器人？他們會滿足於此嗎？
作者| 妮娜‧諾特曼（科學作家）
翻譯| 繼省
核酸構成的機器漸入佳境。
－－妮娜·諾特曼（Nina Notman）
人體內有數以百萬計的分子馬達以及各類「機器」— —這些機器維持了我們肺部的呼吸、心臟的跳動、大腦的思考、消化系統的蠕動……「生命就是這麼神奇。在生命的微觀層面上，有各種各樣不可思議的功能。我們了解得越多，就越想把這些功能重演出來。」哈佛大學生物化學教授威廉·施（ William Shih）如是說。
這一領域的研究者常提起的啟蒙之作，是1966年上映的科幻電影《神奇旅程》（Fantastic Voyage）< /span>。電影中有一艘潛水艇，它和全體船員整體縮小後，被送入一位受傷的科學家體內，修復他的大腦。這部電影給了人們一種希望──未來某一天，人造的分子機器也可以輕鬆進入體內，完成藥物傳遞、疾病診斷、手術操作等任務。分子機器還有醫學以外的用途，例如作為分析工具，或是化合物合成的奈米工廠等等。
如今，用於建造分子機器的材料有兩類：其一是合成有機分子，這一領域的先驅者已在2016年榮膺諾貝爾化學獎；其二是生物材料，也就是本篇專題的核心內容。
像兒童積木一樣
自然界主要用蛋白質當零件來搭建分子機器，而研究者則使用DNA。施解釋道，「相比蛋白質，對DNA進行編程更容易製造出不同的形狀和功能。」
DNA把遺傳指令儲存在由四種鹼基組成的序列中，序列中腺嘌呤（adenine,A）、胸腺嘧啶（thymine，T）、鳥嘌呤（guanine，G）、胞嘧啶（cytosine，C）沿著骨架排列。單股DNA總是會自動組裝成雙股，而且方式可預測：A與T配對，G與C配對。德國慕尼黑技術大學生物物理學教授弗萊德里希·西蒙（Friedrich Simmel）< span style="color: #3F3F3F; --tt-darkmode-color: #A3A3A3;">解釋說，當DNA用作「建材」時，研究者可以把DNA鏈上的鹼基序列視為一種程式碼，程式碼規定了DNA鏈的一部分一定會緊貼另一部分。 「我們基本上可以忽略化學上的複雜性，因為所有的事情都是自動完成，簡化成一行程式碼。」
最早想到用DNA作「建材」的人，是美國紐約大學的奈德西曼（Ned Seeman），那是在上世紀80年代初。自那以後，一系列技術問世，用來建構各種可以想像的DNA結構。這些技術包括DNA摺紙（DNA origami），這是美國加州理工大學的保羅·羅斯蒙德（Paul Rothemund）的腦洞：用短鏈DNA作“訂書釘” ，把長的單股DNA折成複雜的立體形狀。他的團隊也製作了DNA瓦片（DNA tiles）和磚頭（DNA bricks） ，這些東西可以像搭樂高積木一樣組合在一起。
參考插圖：樂高型DNA結構丨圖源：Science
在過去幾年裡，DNA奈米技術的兩大障礙－尺寸和穩定性——得到了突破。慕尼黑科技大學生物物理學教授亨德里克·迪茨（Hendrik Dietz）表示，在這之前，設計超過100奈米的自組裝DNA結構非常困難。 2017年來自加州理工的迪茨、尹鵬（譯：現任職於哈佛大學）和錢璐璐，同時公佈了三種不同的策略，這才打破了這道屏障。
DNA骨架帶負電荷，這意味著當折疊後的DNA彼此靠近時，它們會本能地互相排斥，導致結構散開。在實驗室裡，將DNA置於高度陽離子溶液可以抵消排斥力。但是，人體並沒有提供DNA這樣的理想樂園。人體內，DNA結構會遭受DNA酵素的持續攻擊，而這種酵素天生就是降解DNA分子的。迪茨解釋說，「我們必須要做的，就是找到方法來穩定DNA折疊結構。這樣當我們從實驗的理想條件轉移到實際應用時，這些結構依然能保留下來。」迪茨的團隊和施的團隊近期都發展出了穩定DNA結構的手段，他們利用化學交聯的方法把DNA結構連在一起。 「現在終於可以讓這些結構在體內存在數週，或是更長時間了。」施說。
來一點「小搖擺」
單單是一個大型的穩定結構還不足以成為機器：所謂機器，就要能移動。西蒙提到，雙股DNA類的剛性元件，加上單股DNA這樣的柔性元件，這兩者的混合體在布朗運動驅使下便可以四處移動。但是，讓它們以高度可控的方式運動極具挑戰性。
DNA的可預測和可編程屬性在自組裝過程中非常重要，也是DNA機器中的關鍵。 2000年，時任貝爾實驗室研究員的伯尼·育克（Bernie Yurke） 和英國牛津大學物理學教授安德魯·特伯菲爾德（Andrew Turberfield），合作揭示了第一個指導DNA運動的手段：DNA-伴侶替換過程，即鏈置換反應。這項方法至今仍廣泛應用。特伯菲爾德解釋說，「這就是把雙鏈中的某一條鏈整體或一部分，用帶有相同鹼基序列的另一條鏈替換掉。」
例如，DNA步行者（walker），可以透過把雙鏈拉開再合上的方式反覆進行「伴侶」替換，使得它的「雙腳」沿著一排帶有互補鹼基對的「樁子」上下踱步。
2017年，加州理工學院的研究者證實，DNA運輸裝置可以利用鏈置換反應分選貨物。這種DNA「貨物分選員」可以在某個表面上游盪，挑撿起廢棄的貨物，將它們分成不同的堆；像我們在家裡收髒衣服一樣，把有色衣服和白色衣服各放一堆。
DNA機器所行走的表面，是由單股DNA聚集而成的二維DNA摺紙結構。貨物則是一些包含DNA「條碼標籤」的單股DNA。機器人是一條單鏈DNA，由三個部分組成：走路的“腳”，收集運輸貨物的“手臂”，和閱讀標籤的片段。
機器人會在表面隨機遊走，直到撞上貨物。它會撿起貨物，繼續遊蕩直到卸貨點。如果貨物條碼與卸貨點匹配，機器會把貨物從手上解開。 「機器人清楚每貨的去向；因為每個貨物都會有DNA條碼，這些目的地裡只會有一個與條碼匹配。」加州理工電腦科學家艾瑞克·溫弗力（Erik Winfree）解釋。
這類機器最初得到證明，是用機器人分選帶有綠色和紅色螢光染色的DNA。不過，研究團隊指出，DNA機也能分選其他小分子，包括適配體（aptamer，指一類透過折疊形成特定的三維空間構型的單鏈核酸分子）、抗體、小分子化合物、金屬奈米顆粒和蛋白質。
“能把物體從A點運輸到B點是非常重要的。”施解釋道，「在電子裝置中，可以用電流改變機器狀態。與此類似，我們可以利用物質的物理運動來完成相同的事情。」
加速進程< /span>
DNA貨物分選員幹活兒非常慢，把6個染料分子分成兩堆要用24小時。為了加速這個過程，團隊使用了多個機器人同時運作。另一個方法是讓機器從A點直達B點，而不是隨機遊走。但是，說起來容易做起來難。為了在系統中製造前進的偏向力，有種方法是使用短鏈DNA（這裡也被稱為化學燃料）來參與鏈置換反應。 “這是一種設計不平衡反應網絡的工具”，發明這一概念的特伯菲爾德解釋說，“這是一個聰明的動力學技巧，可以使落在後面的那隻腳比前面那隻腳抬得更快。」
如今，施的實驗室正在使用化學燃料來為驅動DNA奈米卡尺。這些奈米卡尺在大分子周圍逡巡展開測量。施表示，這些像夾子一樣的工具包圍在目標的不同部位，而它們在不同點覆蓋目標表面需要延伸放大的倍數，如此就標示了目標在該處的長度。終極目標是用這些工具來解析大分子的三維結構，可能比現用的X射線晶體學等傳統解析工具都要快。 「不必再直接對分子進行成像，而是用這些小尺子去測量所有成對的點與點的距離，然後我們把這些距離數據輸入進結構預測程序，程序便可以重建出分子的整體三維形狀，並且深入細節。」施解釋。他正在與哈佛的同事衛斯理黃（Wesley Wong）合作開發這個工具。
用「力」
給DNA機器加速的手段還包括：改變溶液pH值、添加離子、用光激發或是施加電場。西蒙的實驗室採用了最後這種方法來控制DNA機械手臂。西蒙說，改造後的機械手臂比傳統DNA機器手臂移動快了10萬倍。
機械手臂是一束剛性DNA雙股，透過單股DNA黏附在三維DNA摺紙平台上。單股DNA相當於靈活的關節，使得機械手臂可以相對平台旋轉。由於DNA帶負電荷，當系統受到電場作用時，機械手臂會向DNA移動。西蒙也為DNA摺紙平台引入了一系列停靠站點，以增加對機械手臂的位置控制。平台和手臂有互相匹配的凸出短鏈DNA，當它們靠近時便可配對，將手臂鎖住不動。
西蒙實驗室證明，這隻手臂可以在平台上運輸有機螢光染料和金奈米桿。他解釋道，這個貨物運輸裝置可以作為工廠流水線的分子版本，由外部操作者發出指令，指導分子快速建造。
變大我吧
DNA機器的另一個潛在應用是用來控制宏觀尺寸的機器人。 「我的研究團隊正在製造可以整合傳統軟材料（如水凝膠）和驅動其運動的動態DNA元件的機器。」瑞貝卡·舒曼（Rebecca Schulman）說，她是美國約翰霍普金斯大學的生物分子工程教授。這些機器人尺寸在10微米到10毫米之間。
舒曼實驗室的水凝膠使用DNA雙股固定，而沒有用傳統的小分子交聯劑。她說，「我們的材料包含聚丙烯醯胺，它們透過雜交DNA實現物理交聯。」她的團隊使用鏈置換反應來膨大水凝膠，將大量的發卡形狀的DNA分子插入DNA雙股交在聯結構中，使得結構延伸，進而導致水凝膠生長。舒曼說，「當這種材料生長時，尺寸的變化非常顯著。我們把材料的體積放大了100倍。」
團隊現在正利用這一現象，透過控制不同部位的膨大時機，來實現控制宏觀尺寸機器人的運動。他們把不同種類的DNA水凝膠放在設備的不同部位。每個水凝膠所交聯的DNA雙股裡都包含不同的鹼基序列，它們只會回應序列相符的DNA發卡。利用這種方式，團隊實現了在水凝膠“花朵”上指定“花瓣”的折疊，也製造了一隻水凝膠“螃蟹”，它的觸角、鉗子和腿都可以響應不同的DNA發卡結構而發生彎曲。
水凝膠螃蟹丨圖源：約翰霍普金斯大學瑞貝卡舒曼實驗室首頁
團隊的終極目標是，設計出可以回應外界刺激後自主運動的機器人。為了朝著這個目標邁進，團隊正在設計可以釋放DNA發卡的感受器，使裝置可以在特定小分子的刺激下移動。舒曼說，「這不僅對機器人來說是很初始的一步，對控制器也是。」
自主運動裝置的應用可能作為一種智慧捕獲裝置，可以探測化學梯度並沿此移動。 「擁有對遠處化學訊號作出反應並移動的能力，機器人就可以找到並撿拾特定類型的細胞或碎片。這種機器人可以進行生物活檢，或保證物質表面極度清潔。」舒曼說。
指示時間< /span>
在美國加州大學洛杉磯分校艾莉莎‧弗朗克 （Elisa Franco）的實驗室，正聚焦於自主性DNA機器的時間控制。她解釋說：「我感興趣的是，理解如何使DNA奈米結構響應刺激後改變形狀，以及如何使這種形狀改變在定期內規律地發生。」
2019年，她的實驗室展示了可以節律性地組裝和解離的DNA奈米管。奈米管的基礎材料是DNA瓦片，瓦片上有多條單股DNA。當來自於不同瓦片的DNA單鏈互補鏈配對成雙鏈，奈米管組裝開始；而當「入侵鏈」到來並破壞原有配對後，奈米管發生解離。之後，透過「反入侵鏈」將已結合的入侵鏈替換掉，便可引發DNA奈米管的重組裝，使得DNA瓦片再次自由形成奈米管。弗朗克說，「我們現在有奈米尺寸的單體，它們可以在幾分鐘內就長成微米級的管狀結構。」
研究者受到了細胞骨架的啟發，後者是細胞分裂過程中週期性生長的管狀網。弗朗克說，「我們想要同樣的動作反覆進行。」入侵鍊和反入侵鏈可以週期反覆地人工添加到系統裡，來控制組裝和解離。但是，為了實現自主控制，團隊將系統與一個合成的分子振盪器結合，利用這個振盪器來調控兩個DNA鏈的釋放。
振盪器包含一個負回饋基因迴路和兩個酵素。環路由兩個分別編碼入侵鍊和反入侵鏈的合成DNA基因形成；兩個酵素則分別是負責製造入侵鍊和反入侵鏈的RNA聚合酶，另一個是可以降解兩種鏈的核酸酶。基因的振盪行為由入侵鍊和反入侵鏈的周期性產生和降解來驅動。
弗朗克希望，這些奈米管最終能被用到有功能的人造細胞裡。她說，「此刻，我們正試著將這個系統包裹到水滴中。液滴是細胞的一種最小等價結構，我們正在研究如何建造全由DNA組成的人造細胞骨架。」
進入工廠< /span>
DNA機器的設計師也受到了另一種細胞機器的啟發—核醣體。核醣體是分子型的蛋白質工廠，沿著信使RNA（messenger RNA）鏈移動，將胺基酸（有轉運RNA分子標籤）依據信使RNA鹼基序列中編碼的訊息，依序組裝到一起。
研究者將同樣的概念來指導多聚物的合成。特伯菲爾德表示，「我們和伯明罕的蕾切爾·歐雷麗（Rachel O'Reilly） 團隊一道，正在開發分子機器，用於基因編程的多聚物合成。」在這種設定下，人工合成的DNA鏈將扮演信使RNA和轉運RNA的角色，合成的單體則取代了胺基酸。特伯菲爾德解釋說，「我們得到了一系列不同的零件，這些零件會被與轉運RNA類似的DNA識別。我們的機器由基因編程，它會識別接頭（adapter）序列，把這些零件搬運到多聚物生長的場所附近，強制它們以設定好的順序進行反應。」
這個自主的系統已經將多種天然和非天然的零件連接到了一起：使用多肽鍵和碳雙鍵將零件相連，甚至不需要純化。特伯菲爾德樂觀預計，這項技術將在製藥業得到應用，用於快速合成大規模組合文庫來發現藥物前體。他們的想法是在一個反應器中，製造出由基因編程的萬億級數量分子的“一鍋靚湯”，並且DNA標籤依然貼附在這些分子上。這鍋湯接下來會用於篩選藥物標靶；一旦發現了陽性的反應，DNA標籤便可用於識別引發反應的分子。
DNA已經成功地向人們證明它可以作為可編程的工程機器，然而，這一領域的許多研究者都預期DNA最終會成為過去式。它會被新的天然和人造材料所取代。這些新材料同樣能自我組裝，但卻擁有更強更有用的功能，例如帶有電磁特性。施說，「DNA在這段歷史上是一個示範性的材料 ，我們可以用它來測試打包生命各項功能的各種想法，但最終我們還是要把花樣投入其他材料。”
迪茨同意這個觀點，「在物理學上，我們常常遵循這樣一種哲學：先拿一個簡單系統去盡可能學習，然後再去逐漸探索更複雜的東西。」
參考資料
1 原文：https:// www.chemistryworld.com/features/dna-machines-get-a-move-on/4012993.article
2 https://science. sciencemag.org/content/338/6111/1159.full
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