DNA 納米機器人系統是納米機器中的一種， 並在近些年得到了不斷發展。 而在 1 月 19 日的《科學》雜誌上， 我們又看到了DNA納米機器人實現的又一項“壯舉”—— 研究人員利用電場加速了 DNA 機器人系統的運動速度。
之前的 DNA 分子機器因為依賴 DNA 分子因數的緣故而不能更快地運行， 相比之下， 這次的DNA 分子機器人的速度比普通的 DNA 機器人要快上約 10 萬倍, 可以說是極大地促進了 DNA 機器人系統的發展。
該研究由德國慕尼克工業大學 (TUM) 的團隊完成。 論文的合作者， 慕尼克工業大學 (TUM) 的 Friedrich Simmel 教授表示， 之前大多數基於 DNA 分子的機器主要是由各式各樣的 DNA 分子進行調控, 包括利用額外添加外部 DNA”燃料鏈”DNA 雜交,DNA-切割酶, 改變緩衝環境 (如 pH 值), 或者使用化學光電開關收集光來誘導反應。 不過， 由於種種原因， 這些方法最終使得運動行為非常的慢， 需要數分鐘甚至數小時的時間才能完成所需的運動過程。
與之前展示的 DNA 機器人系統或組裝線相比， 此次成果利用電場控制可以更快的對 DNA 機器進行移動和定位， 並且該方法不需要添加任何的“燃料”或去改變緩衝環境。
此次實驗中, Simmel 和他的同事們使用了一種分子自組裝的技術: DNA 折紙。 這項技術可以將 DNA 鏈折疊成巧妙的結構。
通過 DNA折紙技術， 團隊創造了一個邊長為 55 納米的正方形剛性基面， 它通過一個靈活的關節與一個 25~400 納米的長臂相連接 (以上所涉及的結構均由 DNA 分子組成)。 這個結構被固定在了一個定制的裝滿水的樣品室底部， 研究人員可以在剛性基面上加上任意方向的電場。
圖丨左圖為利用 DNA“折紙”技術“折疊“出的方形基面與機械臂， 以及連接兩者的結點；右圖為在電場的作用下， 施加力於機械臂一端， 機械臂能圍繞結點軸轉動
因為 DNA 是負電荷的， 所以它可以被電場所操控， 通過控制 DNA 的方向， 研究人員能夠讓 DNA 手臂相對於基板做出任意角運動。 電場除了對於 DNA 的進行快速的調控， 還可以用來降低 DNA 對接的穩定性， 從而加快解綁固定在基面上的 DNA 手臂。
圖丨在25赫茲下的機械臂的順時針與逆時針運動
Simmel 補充道， 當在基板上創建一些“對接點”的話 , 就可以利用電場將 DNA 臂從基板上的固定位移到另一個位置。 另外當 DNA 手臂固定到一個特定的對接地時, 如果綁定點固定作用足夠強， 即便我們撤掉電場， DNA 手臂依然能很好的固定在該點。
該系統的一個重要特點是， DNA 手臂既可以作為一個固定觀察點的 "指標", 也可以起到類似杠杆臂的作用。 當 DNA 臂上攜帶許多電荷時， 外部電場在其上會產生很大的作用力, 而這種力可以使得 DNA 臂繞支點進行轉動或實現與結點的對接。
將這個機械臂組裝完成之後，研究人員把一個長度25nm的金顆粒放置到該 DNA手臂可自由移動的一端。開啟外電場之後，這個DNA機械臂就會開始旋轉，帶動頂端的納米顆粒發生運動。
圖丨研究者將一個金納米棒綁在了手臂上，帶動它與基面上螢光物質（綠色與紅色）發生作用
雖然確定 DNA 手臂的運行機制已經非常有意義了，但是 Simmel 的研究團隊有著更大的目標。接下來，他們會繼續致力於研究如何利用 DNA 手臂來創建一個用於抓取和釋放分子/納米粒子的可靠機制, 通過手臂將物件從獲取區域移動到目標（靶）區域。
這種 DNA 手臂還可以與其他技術平臺連用，任意拾取和釋放所構分子的RNA 或 DNA聚合酶，在原子水準實現生物分子的 3D 列印。Simmel 也認為，在該研究的潛在的應用上，組裝複雜的分子結構的方式或許有點類似於 3D 印表機。儘管將分子迅速地 3D 列印出來是不可能的，但是這項工作為 DNA 納米器件的調控開闢了新的方向。此外，可被遠端控制的 DNA 手臂也適用于藥物分子製備，實現藥物在分子級別的精准釋放。
將這個機械臂組裝完成之後，研究人員把一個長度25nm的金顆粒放置到該 DNA手臂可自由移動的一端。開啟外電場之後，這個DNA機械臂就會開始旋轉，帶動頂端的納米顆粒發生運動。
圖丨研究者將一個金納米棒綁在了手臂上，帶動它與基面上螢光物質（綠色與紅色）發生作用
雖然確定 DNA 手臂的運行機制已經非常有意義了，但是 Simmel 的研究團隊有著更大的目標。接下來，他們會繼續致力於研究如何利用 DNA 手臂來創建一個用於抓取和釋放分子/納米粒子的可靠機制, 通過手臂將物件從獲取區域移動到目標（靶）區域。
這種 DNA 手臂還可以與其他技術平臺連用，任意拾取和釋放所構分子的RNA 或 DNA聚合酶，在原子水準實現生物分子的 3D 列印。Simmel 也認為，在該研究的潛在的應用上，組裝複雜的分子結構的方式或許有點類似於 3D 印表機。儘管將分子迅速地 3D 列印出來是不可能的，但是這項工作為 DNA 納米器件的調控開闢了新的方向。此外，可被遠端控制的 DNA 手臂也適用于藥物分子製備，實現藥物在分子級別的精准釋放。