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Designer的动态DNA纳米机器工具包:挥动手臂的纳米机器人标志着DNA折纸

2020-03-04 00:49:52

360午夜十二点伦理电影   在慕尼黑工业大学(TUM)创建的最新DNA纳米器件 - 包括一个带可移动臂的机器人,一本可打开和关闭的书,一个可切换的齿轮和一个执行器 - 本身可能很吸引人,但这不是点。他们展示了使用DNA作为纳米级结构和机器的可编程建筑材料的科学突破。发表在“ 科学 ”杂志上的结果揭示了一种加入和重新配置模块化3D建筑单元的新方法,它通过将互补的形状拼凑在一起而不是将基础对的字符串压缩在一起。这不仅为具有活动部件的实用纳米机械开辟了道路,而且还提供了一个工具包,使其更容易编程自组装。

  根据TUM教授Hendrik Dietz的说法,在日本传统的纸张折叠艺术中,俗称“DNA折纸”的领域正朝着实际应用的方向迅速发展。本月早些时候,Dietz因其在这一进步中所扮演的角色而被授予德国最重要的研究奖Gottfried Wilhelm Leibniz奖。

360午夜十二点伦理电影   近年来,Dietz及其团队负责应用方向的主要步骤:实验装置包括由DNA制成的合成膜通道; 发现将自组装过程所需的时间从一周缩短到几个小时,使产量接近100%; 证明极其复杂的结构可以按照设计的精度进行组装。

  然而,所有这些进步都采用“碱基配对”来确定DNA的个体链和组装如何与解决方案中的其他人联合起来。什么是新的“胶水”。

  “一旦你建立了一个带有碱基对的单元,”Dietz解释说,“它很难分开。因此使用这种方法制作的动态结构往往结构简单。” 为了使更广泛的DNA纳米机器具有活动部件和潜在有用的能力,该团队采用了自然界生物分子工具包中的两种技术:蛋白质使用形状互补的方式来简化与其他分子的对接,以及它们形成相对弱的键的倾向不再需要时容易破碎。

360午夜十二点伦理电影   对于Science中报道的实验,Dietz和他的合着者 - 博士候选人Thomas Gerling和Klaus Wagenbauer,以及来自TUM慕尼黑工程学院的学士学生Andrea Neuner - 从一种允许核酸分子通过相互作用结合的机制中获得灵感。弱于基础配对。在自然界中,当基于RNA的酶RNase P“识别”所谓的转移RNA时,可以形成弱键; 通过它们的互补形状,分子被引导到足够近的范围,如对接航天器。

  Dietz实验室的新技术模仿了这种方法。为了创建一个动态的DNA纳米机器,研究人员首先编写了三维构建块的自组装,这些构建块的形状可以组合在一起。然后可以激活称为核碱基堆积的弱的短程结合机制以将这些单元捕捉到位。有三种不同的方法可用于控制以这种方式制造的设备的形状和动作。

  “这给我们带来了分层的互动优势,”Dietz说,“以及定位的能力 - 正是我们需要它们的地方 - 能够识别并与具有约束力的合作伙伴互动的稳定领域。” 该团队生产了一系列DNA设备 - 从可能预制技术“鞭毛”的微米级细丝到具有活动部件的纳米级机器 - 展示可能性并开始测试极限。

360午夜十二点伦理电影   例如,三维纳米级人形机器人的透射电子显微照片证实这些碎片完全按照设计配合在一起。此外,他们还展示了一种简单的控制方法 - 改变溶液中正离子的浓度 - 可以在不同的配置之间进行主动切换:组装或拆卸,“臂”打开或放在机器人侧。

360午夜十二点伦理电影   另一种在不同结构状态之间切换DNA纳米器件的方法 - 通过简单地升高和降低温度 - 被证明是特别稳健的。对于早期的装置,这需要分离和重新连接DNA碱基对,因此在切换几个循环后,通过稀释和副反应使系统“磨损”。本文描述的类似剪刀的致动器在四天的时间内经历了一千多次温度转换循环,没有退化的迹象。

360午夜十二点伦理电影   “温度循环是将能量投入系统的一种方式,”Dietz补充说,“因此,如果可逆构象转变可以与一些不断发展的过程相结合,我们现在基本上不仅可以建立纳米机器,还可以为它们提供动力“。

360午夜十二点伦理电影   “快速” - 就像孩子的游戏一样

  通过添加形状互补组分和弱纳米DNA纳米技术工具包获得的灵活性还有另一个方面。仅通过基本配对进行自组装编程就像用机器语言编写计算机代码一样。希望这种新方法能够更容易地将DNA折纸转向实用目的,就像高级计算机编程语言的出现促进了软件工程的进步一样。

360午夜十二点伦理电影   Dietz将其与像乐高这样的儿童玩具进行比较:“你设计的组件是互补的,就是这样。不再需要基础对序列来连接组件。”

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