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新技术让微型“DNA机器人”在体内实现药物快速输送

核心提示:近期发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中,科学家设计了一种磁控系统,使基于DNA的微小机器人按需移动,而且比最近可能的速度快得多。

让微型“DNA机器人”在体内实现药物快速输送

近期发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中,科学家设计了一种磁控系统,使基于DNA的微小机器人按需移动,而且比最近可能的速度快得多。

来自俄亥俄州立大学的卡洛斯·卡斯特罗和拉特纳辛厄姆·苏里亚库马尔介绍,控制系统将原型纳米机器人部件的响应时间从几分钟缩短到不到一秒钟。这不仅代表着操纵速度的显著提高,同时也预示着对基于DNA的分子机器的第一次直接实现实时控制。

这项发现有朝一日可能使纳米机器人能够像它们的全尺寸机器人一样快速可靠地制造物体,例如药物输送装置。以前,研究人员只能通过诱导化学反应来诱使DNA移动某些方式,或者通过引入与DNA结合的分子来间接移动DNA,这些过程需要时间。

“距离来说,让一个工厂里的机器人去做某件事,要等五分钟才能完成一项任务的一个步骤,过去控制DNA纳米机器人就是这种情况。”机械与航空航天工程副教授卡斯特罗说,“像我们的磁性方法的实时操作方法,使科学家能够与DNA纳米器件相互作用,进而与分子和分子系统相互作用,这些分子和分子系统可以通过直接视觉反馈实时耦合到这些纳米器件。"

在早期的工作中,卡斯特罗的团队使用一种叫做DNA折纸术的技术,将单股DNA折叠起来,形成简单的微观工具,如转子和铰链。他们甚至用DNA构建了一个“特洛伊木马”,用于向癌细胞输送药物。

在这项新的研究中,研究人员与物理学教授拉特纳辛厄姆·苏里亚库马尔合作,他以前开发了微型磁性“镊子”,用于在生物医学应用如基因治疗中移动生物细胞。这种“镊子”实际上是由一组同步移动的磁性粒子组成,可推动细胞移动到人们希望它们去的地方。这些磁性粒子虽然肉眼看不见,但仍比卡斯特罗的一台纳米机器人大许多倍。

他说:“我们发现了一种利用磁力力量探测微观世界的方法,这是一个极其复杂的隐藏世界,我们希望从微观世界过渡到纳米世界,由此导致了与卡斯特罗博士的合作。我们粒子的功能缩减一千倍,将它们耦合到机器运动部件上的精确位置,并结合荧光分子作为信标来监控机器运动。"

在这项研究中,研究小组使用DNA折纸制作了杆、转子和铰链。然后,他们用坚硬的DNA杠杆将纳米级部件连接到由浸渍有磁性材料的聚苯乙烯制成的微型珠子上。通过调整磁场,他们发现可以命令粒子来回摆动部件或旋转部件,组件在不到一秒钟的时间内执行了指示的动作。

例如,纳米转子能够在旋转磁场的驱动下,在大约一秒钟的时间内旋转360度,连续控制运动。纳米铰链能够在0.4秒内关闭或打开,或者以8度的精度保持在特定角度。

卡斯特罗说,如果用传统方法执行这些动作,可能需要几分钟。他设想将来,复杂的纳米材料或生物分子复合物,可以在检测和响应环境的基于DNA的纳米工厂中制造。

资料来源:
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-06/osu-bic060118.php



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