正如蒸汽機為工業(yè)革命奠定了基礎(chǔ)，微晶體管引發(fā)了數(shù)字時代，由DNA制成的納米級器件開辟了生物醫(yī)學(xué)研究和材料科學(xué)的新紀(jì)元。

“ 科學(xué) ”雜志在埃默里大學(xué)化學(xué)教授Khalid Salaita和Wallace H. Coulter生物醫(yī)學(xué)工程系研究生Aaron Blanchard的“透視”文章中描述了DNA 機械裝置的新興用途。喬治亞理工學(xué)院和埃默里分校。

這篇文章預(yù)示著一個新的領(lǐng)域，布蘭查德稱之為“DNA機械技術(shù)”，以設(shè)計生成，傳遞和感知納米級機械力的 DNA機器。

“很長一段時間，”薩拉塔說，“科學(xué)家一直擅長制造微型設(shè)備，比人類頭發(fā)的寬度小數(shù)百倍。制造功能性納米設(shè)備的難度比這要小幾千倍。但是使用DNA作為組成部分，可以構(gòu)建極其復(fù)雜的納米器件，因為DNA部件是自組裝的。“

DNA或脫氧核糖核酸作為由四種化學(xué)堿組成的代碼存儲和傳遞遺傳信息：腺嘌呤(A)，鳥嘌呤(G)，胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。DNA堿基具有天然親和力，彼此配對-A與T和C配對。合成的DNA鏈可以與來自噬菌體的天然DNA鏈組合。通過移動鏈上的字母序列，研究人員可以通過創(chuàng)建不同形狀的方式將DNA鏈結(jié)合在一起。DNA鏈的剛度也可以很容易地調(diào)整，因此它們可以像一塊干意大利面條一樣保持筆直，或像彎曲的意大利面一樣彎曲和卷曲。

使用DNA作為建筑材料的想法可以追溯到20世紀(jì)80年代，當(dāng)時生物化學(xué)家Nadrian Seeman開創(chuàng)了DNA納米技術(shù)。該領(lǐng)域使用鏈DNA來制造納米級的功能器件。制作這些精確的三維結(jié)構(gòu)的能力始于一種新奇的綽號DNA折紙，產(chǎn)生了諸如世界的微觀地圖之類的物體，以及最近有史以來最小的井字游戲。 DNA板。

對新奇物體的研究繼續(xù)為DNA的機械性質(zhì)提供新的見解。這些見解正在推動制造能夠產(chǎn)生，傳遞和感知機械力的DNA機器的能力。

“如果你將機械設(shè)備的這三個主要組件放在一起，你就會開始獲得錘子，齒輪和輪子，你可以開始制造納米機器，”Salaita說。“DNA機械技術(shù)擴大了涉及生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)的研究機會。它就像發(fā)現(xiàn)一個新的大陸并開辟新的領(lǐng)域來探索。”

這種裝置的潛在用途包括納米膠囊形式的藥物遞送裝置，當(dāng)它們到達目標(biāo)位置時打開，納米計算機和納米機器人在納米級裝配線上工作。

基因組學(xué)工業(yè)用于生物醫(yī)學(xué)研究和診斷的DNA自組裝的使用進一步推動了DNA機械技術(shù)的發(fā)展，使得DNA合成成本低廉且易于獲得。“可能任何人都可以夢想納米機器的設(shè)計并使其成為現(xiàn)實，”Salaita說。

他舉了一個創(chuàng)造一對納米剪刀的例子。“你知道你需要兩個剛性桿，它們需要通過樞軸機構(gòu)連接，”他說。“通過修補一些開源軟件，您可以創(chuàng)建這個設(shè)計，然后進入計算機并下訂單來定制合成您的設(shè)計。您將收到您的訂單管。您只需將管內(nèi)容放入解決方案，讓你的設(shè)備自行組裝，然后用顯微鏡觀察它是否像你想象的那樣工作。“

Salaita的實驗室是世界上僅有的約100家在DNA機械技術(shù)領(lǐng)域工作的實驗室之一。他和Blanchard開發(fā)了世界上最強的合成DNA電機，最近在Nano Letters上報道過。

Salaita的研究重點是繪制和測量細胞如何推拉以及更多地了解人體免疫系統(tǒng)中涉及的機械力。

Salaita為細胞開發(fā)了第一個DNA力量計，提供了一個分子在活細胞整個表面上應(yīng)用于另一個分子的機械力的第一個詳細視圖。繪制這些力量可能有助于診斷和治療與細胞力學(xué)相關(guān)的疾病。例如，癌細胞與正常細胞的運動方式不同，目前還不清楚這種差異是否是疾病的原因或影響。

2016年，Salaita使用這些DNA測力計為T細胞的機械力提供了第一個直接證據(jù)，T細胞是免疫系統(tǒng)的安全防護裝置。他的實驗室展示了T細胞如何使用一種機械“握手”或牽引來測試他們遇到的細胞是朋友還是敵人。這些機械拖船是T細胞決定是否進行免疫反應(yīng)的關(guān)鍵。

“你的血液含有數(shù)百萬種不同類型的T細胞，每種T細胞都會進化，以檢測某種病原體或外來因子，”Salaita解釋說。“使用這些機械拖船，T細胞不斷對整個身體的細胞進行采樣。它們會結(jié)合并拉動細胞表面的蛋白質(zhì)，如果結(jié)合很強，那就是T細胞發(fā)現(xiàn)外來物質(zhì)的信號。”

Salaita的實驗室建立在最近發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊(PNAS)上的一篇論文中。埃默里化學(xué)研究生榮馬領(lǐng)導(dǎo)的工作精煉了DNA力量計的靈敏度。他們不僅能夠以輕微的力量檢測到這些機械拖船，而且?guī)缀跏腔匦吾樦亓康氖畠|分之一，它們還可以捕捉到眨眼間短暫拖曳的證據(jù)。

該研究為免疫系統(tǒng)中涉及的機械力提供了前所未有的視角。薩拉塔說：“我們發(fā)現(xiàn)，除了正在進化以檢測某些外來物質(zhì)外，T細胞還將對外國特工施加非常短暫的機械拖船。” “拖船的頻率和持續(xù)時間取決于外來物質(zhì)與T細胞受體的匹配程度。”

結(jié)果提供了一種工具來預(yù)測T細胞的免疫反應(yīng)強度。“我們希望這種工具最終可以用于微調(diào)個體癌癥患者的免疫療法，”Salaita說。“它可能有助于設(shè)計T 細胞去追蹤特定的癌細胞。”