华人青年学者最新Science再发重要成果：从人工生化电路到DNA机器人

　　

生物通报道：人工智能是无数小说和电影最初的灵感，也是无数科学家和工程师最终的梦想。想象一个画面：一个小小的机器人穿过一片精细折叠的DNA，然后拾起一个分子，再在一个指定的位置上放下来，进行更多分拣。这并不是什么科幻片的场景，而是最新一项生物工程项目非常真实的研究结果：华人学者钱璐璐博士研究组发表了题为“A cargo-sorting DNA robot”的文章，研发出了DNA“机器人”，这个机器人由一个单链DNA做成，包含“腿”和“手臂”，能自动地在一个纳米尺度的二维表面“走来走去”，将某些分子“捡起来”，然后放到指定位置。

这一研究成果公布在Science杂志上。早年师从上海交通大学贺林院士的钱璐璐（Lulu Qian）博士目前任职于加州理工学院生物工程系，她一直都对生物纳米技术与DNA分子计算感兴趣，几年前就曾与加州理工学院合作，利用人工合成的DNA分子，在试管中制成了当时最复杂的生化电路。华裔博士最新Science文章走在世界最前沿

对于这项最新成果，她表示，“分子编程（Molecular programming）并不仅仅是利用计算机程序来帮助分子系统的设计和分析，而且它还能够适应计算机原理，创建出生化系统，在分子水平上执行任务。利用这种方法，我设计出了可以解决基本逻辑问题的DNA电路，而且也构建出来一个DNA神经网络，用于执行简单的记忆相关功能。”

早在2004年，美国纽约大学的研究人员就曾经利用DNA研制出一种两足“机器人”。这种“DNA机器人”利用DNA链的特点可以在两个特定的立足点之间来回走动，科学家们认为，在纳米技术产品制造中可以采用这种技术。此后也不断出现了各种具有多方面用途的DNA“机器人”。

但是，现有的机器人都存在局限性，它们既不能自动行走，“每只脚移动都需要……额外的一个新DNA链，”文章的作者之一，Anupama Thubagere说。而且它们有时需要非常复杂，涉及多个DNA链的化学设计，钱博士表示，“这种复杂性并不是说机器人就无法完成更有趣的功能了，但是这样做，将会遇到许多困难。”

最新研究的DNA“机器人”由三个基本模块组成：一条“腿”和两只“脚”用来行走，一条“胳膊”和一只“手”用来拿“货物”分子，以及一个在抵达指定地点后示意放下“货物”的“信号”。每个模块仅由单链DNA中的几个碱基组成。原理上，这些模块可通过不同的方式组装出能执行不同任务的“机器人”。例如，一个多手臂“机器人”可同时运输多个分子货物。

同时研究人员还设计出一个58纳米长、58纳米宽的场地，DNA机器人大约需要一天的时间来探索整个测试场地。一路上，当机器人遇到拴在桩子上的货物分子时，就会用“手”抓住货物（分子货物连接在和手的碱基互补的单链上），然后继续行走，直到遇到放下货物的信号。这个过程虽然很慢，但一个简单的、消耗很少能量的机器人可完成这个看似复杂的任务。

来自杜克大学的计算机科学家John Reif（未参与该项研究）表示，这种“机器人的设计非常好……它很简单，但也能完成做非凡的事情。这项研究将能把DNA机器人研究领域带入到新的阶段。”

这些DNA“机器人”的设计并不是为了好玩，而是执行更多更复杂的认为，比如合成之前难以合成的化学物质，或者针对某些疾病信号递送药物。

钱博士表示，我们所知的许多应用还是来源自科幻小说，但实际上还有许多困难需要克服，例如给“机器人”增加更多的功能组件。

（生物通：万纹）

原文标题：

A cargo-sorting DNA robot