想象一下能帮你整理房间的机器人：把袜子放进洗衣机、把脏盘子放进洗碗机……这样的帮手可能依然是科幻，但加州理工学院（Caltech）的科学家开发了能进行类似任务的自动分子机器——纳米级！这个“机器人”由DNA单链组成，能自动在表面“行走”，捡起特定分子并把它们放在指定位置。这项工作由钱璐璐（生物工程副教授）实验室完成，论文近日发表在《Science》。

为什么是纳米机器人？

钱璐璐说，就像把电子机器人送到遥远的地方，比如火星，我们想把分子机器人送到人类去不了的微小的地方。比如血流。我们的目标是设计和制造一个能进行复杂纳米机械任务——货物分类的分子机器人。

如何制造分子机器人？

在前研究生Anupama Thubagere（17级博士）的带领下，研究者建造了3个能用来集合DNA机器人的基本建筑模块：一条“腿”和两只“脚”用来行走，一条“胳膊”和一只“手”用来捡货物，一个能识别特定投放地点的片段和让“手”释放货物的信号。每个组成都仅由DNA单链内的一些碱基组成。

原则上，这些模块能以许多不同方式组装，来完成不同任务——有一些手和胳膊的DNA机器人，例如，用来同时搬运多个分子。

据发表在《Science》的论文描述，钱璐璐的研究小组建造了能探索分子表面的机器人，其能捡起两个不同分子——一个荧光黄染色分子和一个荧光粉染色分子，然后把它们分发到表面的两个不同区域。使用荧光分子能让研究者看到分子最后是不是被放在预期位置。机器人成功分类了6个分散的分子——3个粉色和3个黄色，在24小时之内把它们放到正确的地方。在表面添加更多的机器人能缩短完成任务的时间。

Thubagere说，尽管我们为此特定任务设计了机器人，但相同的系统设计能推广到表面任意初始位置的几十种货物类型。也可以有多个机器人同时进行不同分类。

通过DNA进行设计

设计DNA机器的关键实际上在于DNA已知和可编码的独特的化学和物理性质。DNA单链由4个不同分子组成，即碱基A、G、C和T，它们形成序列。这些碱基结合成特定的对：A和T，G和C。当单链遇到反向互补链，比如CGATT和AATCG，两个链形成经典的双螺旋。

单链含有能促使两部分结合链相互分开的正确碱基。每次结合和分开事件发生有多快，就能估算其消耗的能量，用于任何DNA序列。这让研究者能控制机器人移动速度，以及其进行一个任务需要多少能量。此外，能计算单链或两个结合的单链的长度。因此，DNA机器人的腿和脚可设计成想要的步长，在这种情况下是6纳米——约人类步长的1亿分之一。

使用这些化学和物理原理，研究者不仅能设计机器人，也能设计“操场”，比如木栓板，以测试机器人。在当前研究中，DNA机器人在58纳米X58纳米的木栓板中运动，栓子由DNA单链构成，补充机器人的腿和脚。机器人将自己的腿和一只脚与栓子结合，另一只脚自由漂浮。当随机分子波动导致自由的脚碰到附近的栓子时，将机器人拉到新栓子处，另一只脚就自由了。这个过程持续进行，机器人每一步都是往随机方向走。

机器人探索整个区域可能需要1天。在路上，机器人碰到拴在栓子上的货物分子，它就用自己的“手”抓住它们，带着它们行走，直到检测到投放货物的信号。过程缓慢，但非常简单的机器人设计仅使用非常少的化学能量。

未来应用

钱璐璐表示，我们开发DNA机器人不是为了某一特定应用。我们实验室关注的是发现能促进多种用途DNA机器人发展的工程原理。不过，我希望其他研究者能使用这些原理进行激动人心的应用，比如使用DNA机器人从人工分子工厂的组成部分合成治疗用化学药物，在血液或细胞发出特定信号时递送药物，或在垃圾回收中分类分子成分。

（环球医学编辑：丁好奇 ）