這是一種以 DNA 為原始材料來(lái)設(shè)計(jì)、組裝并運(yùn)行的軟機(jī)器人新材料，它可以用自身新陳代謝來(lái)驅(qū)動(dòng)，它也可以應(yīng)用于生物檢測(cè)，并且有望做成便攜式的檢測(cè)裝置。

這是一項(xiàng)材料學(xué)的突破。這項(xiàng)研究來(lái)自美國(guó)康奈爾大學(xué)生物工程和環(huán)境工程系教授羅丹的實(shí)驗(yàn)室，論文發(fā)表在《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》雜志（Science Robotics ）。他接受了 DeepTech 的獨(dú)家專訪，詳細(xì)介紹了此項(xiàng)研究的來(lái)龍去脈以及應(yīng)用前景。

圖丨該圖顯示，從 DNA 雙螺旋分子開始逐級(jí)有層次組裝，最后形成宏觀的有結(jié)構(gòu)的類生命材料；在人工新陳代謝驅(qū)動(dòng)下，可以自主逆流而上。（來(lái)源：SCIENCE ROBOTICS）

眾所周知，DNA 是生物遺傳材料，然而 DNA 也能作為納米級(jí)別的建筑材料，羅丹實(shí)驗(yàn)室近二十年前就率先合成了樹枝狀 DNA，并將其引入分子檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了 DNA 的納米條形碼；它還可以和抗體鏈接，形成 DNA-抗體雜化分子，后者有望在高通量核酸檢測(cè)和靶向治療方面廣泛應(yīng)用。

同時(shí)，羅丹實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造出宏量的 DNA 水凝膠，可以廣泛應(yīng)用于藥物傳遞和細(xì)胞三維培養(yǎng)，如今已經(jīng)利用 DNA 水凝膠制造出蛋白質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)在無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)生產(chǎn)大量的活性蛋白質(zhì)，包括那些活細(xì)胞無(wú)法生產(chǎn)的蛋白質(zhì)，這為藥物篩選和蛋白制藥提供了一條嶄新的途徑。另外，羅丹實(shí)驗(yàn)室還設(shè)計(jì)研發(fā)出一種自然界不存在的超材料，DNA 超膠，后者具有既是固體又是液體的特征，其動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，DNA 超膠能激發(fā)小鼠的天然免疫機(jī)制從而抑制小鼠的腫瘤生長(zhǎng)。

這次 DNA 軟機(jī)器人材料正是在上述研究基礎(chǔ)上做出的。

此次羅丹團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的概念：類生命材料，將人工新陳代謝賦予給 DNA 水凝膠。

雖然這種“類生命材料”是第一次實(shí)現(xiàn)，還處于雛形階段，但已經(jīng)能夠自發(fā)形成有層次、有組織的形狀，并能自主地逆流運(yùn)動(dòng)，甚至和另外的“類生命材料”賽跑。

這種“軟機(jī)器人”材料可以從 55 個(gè)核苷酸堿基的 DNA 分子增殖形成幾毫米長(zhǎng)的 DNA 水凝膠，這種膠體通過(guò)首端生長(zhǎng)、尾端降解獲得動(dòng)力，從微流系統(tǒng)中獲得“營(yíng)養(yǎng)”，實(shí)現(xiàn)“人工新陳代謝”從而自主運(yùn)動(dòng)。

羅丹表示，期望“類生命材料”的誕生能夠開拓一個(gè)新領(lǐng)域，并在生物醫(yī)學(xué)上實(shí)現(xiàn)其它材料難以企及的應(yīng)用。

圖丨 DNA 軟機(jī)器人的原理。（來(lái)源：SCIENCE ROBOTICS）

問：羅教授，你們?yōu)楹芜x擇 DNA 材料作為研究課題呢，可否介紹一下這次研究的背景？

我選擇這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng) 20 年了。我在康乃爾大學(xué)化工系做博士后的課題之一是用多聚物材料做藥物遞送載體，就是用多聚物來(lái)遞送 DNA 藥物。后來(lái)自己留校獨(dú)立以后，馬上就想到 DNA 本身就是多聚物，我為什么要用其他多聚物來(lái)遞送 DNA 呢？能不能把 DNA 當(dāng)作多聚物來(lái)用呢？

其實(shí)多聚物有一個(gè)非常重要的特點(diǎn)，就是其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果要想把 DNA 當(dāng)作多聚物的話，我必須創(chuàng)造不同的 DNA 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而我博士論文研究課題之一正好是 DNA 拓樸異構(gòu)酶，所以結(jié)合這些基礎(chǔ)，我自己實(shí)驗(yàn)室的第一篇論文就是關(guān)于發(fā)明樹枝狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 DNA 材料，發(fā)表在《自然·材料學(xué)》雜志（Nature Material）。

做完這個(gè)研究以后我發(fā)現(xiàn)，有很多酶可以去作用 DNA。比如，只要你把 DNA 多聚物做成黏性末端回文結(jié)構(gòu)，它就可以自己連接起來(lái)，那么連起來(lái)的 DNA 分子在水溶液里就是一種膠。于是我們完成了世界上第一個(gè)完全用 DNA 做成的水凝膠。

進(jìn)而，我們認(rèn)為可以把基因給放到 DNA 水凝膠的骨架上，這樣基因就不會(huì)擴(kuò)散出去，所以在中心法則（注：遺傳信息從 DNA 傳遞給 RNA，再?gòu)?RNA 傳遞給蛋白質(zhì)，即完成遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程）下，你就可以在無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)中生產(chǎn)出蛋白，也就是說(shuō)可以只用 DNA 水凝膠來(lái)生成蛋白質(zhì)，而不用活細(xì)胞。要知道，很多蛋白對(duì)細(xì)胞實(shí)際上是有毒性的，并且細(xì)胞不會(huì)讓某一種蛋白過(guò)量生產(chǎn)，而用 DNA 水凝膠的無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)來(lái)生產(chǎn)蛋白質(zhì)就不會(huì)有這樣的限制。

于是這個(gè)無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)就成為了一個(gè)非常有應(yīng)用前景的項(xiàng)目。后來(lái)我們還做了一種超材料（Metamaterials）, 超膠，既是固體又是液體的膠，它可以激發(fā)天然免疫系統(tǒng)，做成抗腫瘤藥物。

DNA 軟機(jī)器人材料這個(gè)課題有些歪打正著。我們當(dāng)時(shí)想做的是生物檢測(cè)芯片，就是說(shuō)血液或尿液流過(guò)的時(shí)候，芯片接觸到有病原菌的 DNA 就會(huì)發(fā)不同的光，這樣的話在顯微鏡下檢測(cè)有什么光，就會(huì)知道有哪些感染。

但是我們?cè)诖搜芯窟^(guò)程中，我們突然發(fā)現(xiàn)DNA 在這個(gè)微流系統(tǒng)中像漁網(wǎng)一般纏繞起來(lái)，這些纏繞的 DNA 可以形成不同的圖案。然后我們就想到要把 DNA 材料做成類生命，是什么意思呢？就是讓它有人工新陳代謝。

生命還有一個(gè)特征就是從細(xì)胞到組織，再到器官、系統(tǒng)，它有一個(gè)層次組裝的結(jié)構(gòu)。DNA 也是從核苷酸到 DNA 長(zhǎng)鏈，然后組成染色體，所以材料本身要有組裝，自主形成層級(jí)結(jié)構(gòu)。

人工新陳代謝需要有調(diào)控的合成和降解。DNA 合成和降解很容易實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在關(guān)鍵就是你怎么把它們有機(jī)調(diào)控起來(lái)，尤其是要有反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)空間的控制，就像城市的自來(lái)水管或者高速公路，我們嘗試將其設(shè)計(jì)成一種有反饋有調(diào)控的結(jié)構(gòu)。

這樣 DNA 在前方合成、后面降解，可以用最基礎(chǔ)的流體力學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬，所以我們就設(shè)計(jì)了這種很微小的管道系統(tǒng)，把合成速度加快，降解的速度稍微慢一點(diǎn)，它整個(gè)結(jié)構(gòu)就開始自動(dòng)往前走。如果你合成的速度和降低速度都一樣的話，那就停留在原地了。

正好我的一個(gè)博士后是系統(tǒng)工程的博士，做過(guò)機(jī)器人研究，所以就很容易和軟機(jī)器人聯(lián)系起來(lái)了。

問：DNA 軟機(jī)器人應(yīng)用前景是我們很關(guān)心的一個(gè)問題。

比如生物檢測(cè)。DNA 軟機(jī)器人系統(tǒng)不同于熒光檢測(cè)，不需要定量檢測(cè)（當(dāng)然將來(lái)也可以做到定量檢測(cè)），只需要看到有目標(biāo)漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，肉眼或智能手機(jī)就可以識(shí)別，那么就是檢測(cè)出目標(biāo) DNA 了。

這個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是便捷，是便攜式的檢測(cè)裝置，你可以像血糖儀一樣隨時(shí)隨地使用。我們正在實(shí)現(xiàn)用智能手機(jī)來(lái)檢測(cè)。

這個(gè)系統(tǒng)也可以用于生產(chǎn)蛋白質(zhì)，也就是在時(shí)空控制下進(jìn)行無(wú)細(xì)胞蛋白質(zhì)生產(chǎn)。這是一個(gè)更加高效的蛋白質(zhì)生產(chǎn)系統(tǒng)，因?yàn)槿绻脗鹘y(tǒng)的細(xì)胞，首先需要培養(yǎng)細(xì)胞，而且每個(gè)細(xì)胞自己要生產(chǎn)數(shù)萬(wàn)種蛋白質(zhì)，你要的蛋白不可能被大量生產(chǎn)；而我們的無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)就只生產(chǎn)一種我們要的蛋白，這就讓系統(tǒng)的所有能量都只用于生產(chǎn)這種蛋白，能量被高效地利用了。我們現(xiàn)在已經(jīng)生產(chǎn)出 60 多種蛋白，而且都有活性。

問：如何理解這個(gè) DNA 軟機(jī)器人系統(tǒng)的進(jìn)化屬性？

我們希望這種材料可以進(jìn)化。如果這個(gè)材料有人工新陳代謝，又可以自我復(fù)制，那么它進(jìn)化的可能性就存在了。同時(shí)因?yàn)槟憧梢钥卞e(cuò)，可以設(shè)計(jì)，還可以控制代時(shí)（每代的時(shí)間），這種人工進(jìn)化就值得進(jìn)一步去探索。

問：你們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域有商業(yè)化嘗試了嗎？

現(xiàn)在還沒有。這是世界上首次實(shí)現(xiàn)類生命材料，屬于最早期的研究，需要進(jìn)一步地開拓。我們正在申請(qǐng)最基礎(chǔ)的專利，至于以后商業(yè)用途，就得看它從哪個(gè)方向發(fā)展出來(lái)。我曾經(jīng)長(zhǎng)期擔(dān)任康奈爾大學(xué)的技術(shù)轉(zhuǎn)移顧問委員會(huì)委員，對(duì)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)轉(zhuǎn)移還是比較熟悉的。