变化万千的DNA 折纸(下)

前情提要：在本文上半部分《变化万千的DNA 折纸(上)》中，我们了解了什么是DNA折纸，如何用DNA折纸形成不同的图案，以及研究DNA折纸的意义。

在下半部分中，我们将进一步了解科学家们利用DNA折纸的一些奇思妙想。

让DNA 折纸动起来

还有很多科学家们不满足于通过DNA 折纸实现静态的结构，而是希望这些“小精灵”动起来，按照人类的指令来完成任务，实现纳米尺度下的机器人。

例如前面提到的钱博士的团队就巧妙利用了互补的碱基序列能够形成双螺旋的原理，构建了一个纳米尺度下的传送系统。

这个系统包括两个部分：一个是充当机器人的单链DNA 分子。这个机器人有两只“脚”和一条“腿”。

当然，所谓脚和腿，不过是这个DNA 分子的某些区域而已。

另一个部分是通过DNA 折纸形成的平台，平台的特定位置会伸出一些单链的DNA 片段作为“轨道”，这些轨道由“脚*”和“腿*”两个区域组成，其序列分别与机器人“脚”和“腿”区域的碱基序列互补。

因此，当这个机器人来到平台上时，就会通过形成双螺旋与某个轨道结合。但这个机器人还有另外一只“脚”闲着，可以被别的轨道“引诱”。

因此，经过一段时间后，这个机器人就可能与之前结合的轨道脱离开，转而与另一个轨道结合。

通过重复这一过程，这个机器人就能够在这些轨道之间随机行走（下图1）。

怎么样，是不是很有趣？

通过DNA 折纸构建的纳米尺度下的传送系统。1. 机器人在平台上随机行走；2. 机器人拾起货物；3. 机器人将货物运送到目标。

更有趣的还在后面。

他们将这个单链DNA分子延长，给机器人加上“胳膊”和“手”。

与此同时，平台上出现了“货物”—连接了一小段DNA的某个分子。

这段DNA 包含“手*”和“胳膊*”两个区域。从前面的命名规则不难看出，这些区域的碱基序列分别与“手”和“胳膊”中的序列互补。

于是，当游走在各个轨道之间的机器人遇到货物时，就会毫不犹豫地将其拾起（上图2)。

接下来，他们在货物上加入了一个名为“货仓”的区域，于是，带着货物的机器人就可能遇到“目标”：另外一个单链DNA 分子，其中包含了“手”“胳膊”和“货仓*”三个区域，其中“货仓*”与“货仓”的碱基互补。

不难看出，与机器人一样，“目标”也与货物形成双螺旋，而且形成的双螺旋更长，这意味着它与货物的结合能力要强于机器人。

于是，目标会迫使机器人把货物卸下，交给自己（上图3)。你看，通过这样一个巧妙的设计，我们就成功地让DNA 分子充当了搬运工的角色。

如果说这项研究还只是证明了基于DNA 折纸的机器人具有可行性的话，在2018 年的一项研究中，来自我国国家纳米科学中心和美国亚利桑那州立大学的研究人员则将其向实际应用推进了一大步—尝试用其治疗癌症。

人体内有一种名为“凝血酶”的酶，顾名思义，它在血液凝集过程中发挥着关键的作用。

如果用凝血酶把癌组织的血管堵住，不就可以让癌细胞失去氧气和营养供应而死亡吗？

这个想法很有趣，但问题在于，怎样保证凝血酶只作用于癌组织中的血管，而不会给正常的血管添乱呢？

科学家们想到了DNA 折纸。他们首先通过DNA 折纸建造出一个长宽均为几十纳米的平板，再将凝血酶连接到平板上。

随后，他们加入一个由两个DNA 分子做成的“紧固件”。

这两个DNA 分子一端的碱基序列互补，已经形成双螺旋，另外一端碱基序列分别和DNA 平板结构边缘处的某些序列互补，能够与之形成双螺旋。

因此，当二者相遇时，“紧固件”就会将原本的平板结构卷成一个圆筒，正好将凝血酶包在圆筒内部。

最后，科学家们又在圆筒的四周额外添加一些DNA 片段作为机器人的“定位系统”。

利用DNA 折纸构建的纳米机器人有望治疗癌症。1. 工作原理：I 长链DNA 与短链DNA 通过DNA 折纸形成平板结构；II 将凝血酶连接到平板结构的表面；III 添加“紧固件”，将平板卷成圆筒；IV 在肿瘤组织的血管内，“紧固件”与核仁素作用，圆筒重新变成平板，释放出凝血酶。2. 原子力显微镜下的处于关闭和打开状态下的纳米机器人，其中圆圈内为连接在DNA 折纸上的凝血酶（比例尺为100 纳米）。

当这样的一个个圆筒进入体内后，在正常的血管中不会引起任何反应。

然而，当它进入癌组织的血管中时，情况就不一样了。

癌组织的血管内皮细胞表面大量存在一种名为核仁素的蛋白质，能够与圆筒中的“定位系统”和“紧固件”发生相互作用，使得“紧固件”松脱，圆筒重新舒展成一个平板，将包裹在其中的凝血酶暴露出来，从而导致血液凝固，令癌细胞丧失获取氧气和营养的供应而死亡。

动物实验表明，这种DNA 折纸结构能够显著延长患癌小鼠的存活时间。如果这种DNA 纳米机器人能够应用于临床的话，必将为人类征服癌症提供有力的武器。

以上只是简单介绍了两个DNA折纸机器人的例子。在过去的十几年间，DNA 折纸领域可谓高手云集，像这样天马行空的精彩研究屡见不鲜。

但同其他新技术一样，DNA 折纸要想真正进入应用，仍然有许多问题需要克服。

与此同时，DNA 折纸的竞争对手—其他能够用于加工纳米尺度结构的方法也没有停止创新的步伐。

在进军纳米技术的道路中，谁也不甘落后。

DNA 折纸能否在激烈的角逐中脱颖而出，让我们拭目以待吧。

-完-

（原载《科学世界》2018年第12期。图中插图均引自相关论文）