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DNA分子组装类生命“软机器人”以新陈代谢驱动

日期:2019-05-17 19:02 作者:http://www.cyrenshou 阅读:

意外创造类生命材料 可逆流而上

更加有趣的是,作为一种DNA材料,它在微流体中相关酶的作用下,其“人工新陈代谢”总是在前端合成、后端分解,总体来看,这种长达几毫米的超胶就像水里的鱼一样发生了“游动”,且肉眼可辨。这条“鱼”还十分“顽强”,与科研人员预计的不同,其“运动”的方向并非“顺流而下”,而是与微流体的流动方向相反,即“逆流而上”。

除了通过改变DNA的空间排列等方法构建出多样的DNA材料以外,科学家们还在汲汲探索DNA材料这位“跨界明星”的其他非遗传特性。如今,研究人员合成了一种能够进行肉眼可见的“空间移动”DNA材料,这相比一般的刺激响应更接近生命的特性,研究人员称之为“类生命材料”。

“DNA材料的生物相容性非常好,在医学领域大有前景。DNA材料的另一大优势在于不同的核酸混合排列时,合成的材料性能千变万化,就像一座富矿,等待人们去探索。”文章的作者之一、中科院纳米所纳米—生物界面重点实验室副研究员甘明哲表示。

研究显示,在这一系统中,DNA分子被合成组装为一种层级结构,在可提供能量的液体中按指令、自动地进行生长与降解。这种“软机器人”从只有55个核苷酸碱基的DNA分子增殖数千万倍,形成几毫米长的DNA水凝胶。在反应液中,胶体首端生长、尾端降解,从而获得动力,可以像黏液菌一样逆流运动。

当被问及这种类生命材料在现实生活中有何用处的时候,甘明哲表示:“这只是个开端,该材料目前可模拟生命的新陈代谢,未来或许能够展现出更多类似生命的特征,如生物独有的进化。”

“我们发现,该DNA材料的生成与微流体的层流特性呈现出一定的相关性。通过改变管道的流场参数,可以控制超胶在特定的空间位置合成;如果改变微流体中酶的浓度和种类,则可改变超胶的自主合成和分解的速度。”甘明哲表示,这就实现了对该材料合成的空间、时间两方面的人为调控。

很多促进人类科学进步的发现都源于一次意外,比如青霉素、X射线。与类生命材料的“邂逅”也是一个意外。研究团队当时正利用超胶对病毒核酸进行检测。超胶是一种自然界中不存在的人工合成DNA材料,置于水中呈固态,脱离水后又呈现液态,研究人员本想挖掘它在生物检测方面的潜力。

类生命材料助力无细胞蛋白合成

“正如人需要在有氧的空气环境中进行新陈代谢,这种类生命材料需要从微流系统中获得‘营养’,实现‘人工新陈代谢’,从而进行自主运动。”该文章通讯作者之一、美国康奈尔大学生物和环境工程学院教授罗丹表示。

该类材料的无细胞蛋白合成能力是下一步可以着手开发的“宝藏”。蛋白质是很多药物、疫苗的基本成分,目前,蛋白质的合成通常由培养的细胞来完成,生产蛋白的种类、产量和质量严格受到细胞调控,也就是说,要把细胞“伺候好”。然而,在目前技术条件下,有相当数量的蛋白产不产、产多少完全看细胞“高不高兴”,如一些膜蛋白、毒性蛋白、代谢调节蛋白等。DNA材料本身就可以指导蛋白质的合成,即采用类生命材料可以越过细胞的限制,直接生产蛋白质。科研人员已经初步实践了这种方式,几毫米长的超胶在无细胞系统中生产出了大量的活性蛋白质。

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“新的物质不断生成,旧的物质不断被分解,这很像生物独有的新陈代谢。”在甘明哲看来,代谢是使生命存活的关键过程,在合成、分解代谢的平衡中维持了DNA材料的稳定存在与更新,这十分类似于生命的特征。“我们在实验室里重现了以这种类似生命新陈代谢的‘人工新陈代谢’方式制造DNA材料的过程。”

有意思的是,他们却兴奋地发现,微流体芯片里的超胶的生成方式出乎意料地发生了改变。如果把直径约100微米的头发丝缩小10倍,做成直径10微米的微型管道,“水若在该管道中流动便成了微流体,其特有的平行流动方式——层流,与常见的液体流动有显著区别,也就衍生出了特异的流场。”甘明哲说。

中国航空报讯:近日,来自美国康奈尔大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所(以下简称中科院纳米所)、上海交通大学医学院附属仁济医院(以下简称仁济医院)的研究人员合成了一种可以自主运动的DNA材料,可通过自身新陈代谢为驱动实现自主运动,未来有望用于开发生物芯片等。该项成果作为当期封面文章,发表在《科学·机器人》杂志上。