罗丹的资料 材料学的突破：“类生命材料”首次实现！DNA软机器人以新陈代谢驱动 | 独家专访

这是一种以DNA为原始材料设计、组装、操作的新型软机器人材料。它可以由自身代谢驱动，也可以应用于生物检测，有望制成便携式检测装置。

这是材料科学的一个突破。这项研究来自美国康奈尔大学生物工程和环境工程教授罗丹的实验室，论文发表在《科学机器人学》上。他接受了DeepTech的独家采访，详细介绍了这项研究的来龙去脉及其应用前景。

图为DNA双螺旋分子逐步组装，最终形成宏观结构的类生命物质；在人工代谢的驱动下，它可以自主逆流而上。(资料来源:科学机器人学)

众所周知，DNA是生物遗传物质，但DNA也可以作为纳米尺度的建筑材料。罗丹实验室在近20年前率先合成树枝状DNA，并将其引入分子检测，实现DNA的纳米条形码；它还可以与抗体连接形成DNA-抗体杂交分子，有望在高通量核酸检测和靶向治疗中得到广泛应用。

同时，罗丹实验室创造了大量的DNA水凝胶，可广泛用于药物传递和三维细胞培养。现在，DNA水凝胶已经被用于生产蛋白质，在无细胞系统中可以产生大量的活性蛋白质，包括活细胞不能产生的蛋白质。这为药物筛选和蛋白质制药提供了新的途径。此外，罗丹实验室还设计开发了一种自然界不存在的超材料——DNA超凝胶，兼具固体和液体的特性。动物实验表明，DNA超凝胶能刺激小鼠的自然免疫机制，抑制小鼠肿瘤生长。

这种DNA软机器人材料就是在上述研究的基础上制成的。

这一次，罗丹的团队提出了一个全新的概念:类生命物质，赋予DNA水凝胶人工代谢的能力。

这种“类生命物质”虽然已经第一次实现，还处于萌芽阶段，但已经能够自发地形成一种有层次、有组织的形态，能够独立地向上游移动，甚至与其他“类生命物质”竞争。

这种“软机器人”材料可以从含有55个核苷酸碱基的DNA分子中增殖，形成长度为几毫米的DNA水凝胶。这种胶体通过头端的生长和尾端的降解获得动力，从微流体系统获得“营养”，实现“人工代谢”自主运动。

罗丹表示，希望“类生命材料”的诞生能开辟一个新的领域，实现其他材料无法比拟的生物医学应用。

图3 DNA软机器人原理。(资料来源:科学机器人学)

问:罗教授，你为什么选择DNA材料作为研究课题？能介绍一下这个研究的背景吗？

我选择这个领域已经20年了。我在康奈尔大学化学工程系的博士后课题之一是利用高分子材料作为药物传递载体，即利用聚合物传递DNA药物。后来我留在学校，独立了以后，我马上就觉得DNA本身就是一种聚合体。我为什么要用其他聚合物传递DNA？我们能用DNA作为聚合物吗？

事实上，聚合物的一个非常重要的特征是它们的拓扑结构。如果我要把DNA当成聚合体，我一定要创造出不同的DNA拓扑。而我博士论文的研究课题之一恰好是DNA拓扑异构酶，所以结合这些基础，我自己实验室的第一篇论文是关于发明具有树枝状拓扑结构的DNA材料，发表在《自然材料》上。

完成这项研究后，我发现有许多酶可以作用于DNA。比如你只要把DNA聚合物做成粘性末端回文结构，它就可以自己连接，所以连接的DNA分子就是水溶液中的一种胶。所以我们完成了世界上第一个完全由DNA制成的水凝胶。

再者，我们认为基因可以放在DNA水凝胶的骨架上，这样基因就不会散开。所以在中心原理下(注意:遗传信息是由DNA传递到RNA，再由RNA传递到蛋白质，即遗传信息的转录和翻译过程完成)，你可以在无细胞系统中产生蛋白质，也就是说，你只能用DNA水凝胶产生蛋白质，而不能产生活细胞。要知道很多蛋白质其实对细胞是有毒性的，细胞不会过量产生某一种蛋白质，但是DNA水凝胶的无细胞体系对蛋白质的产生并没有这样的限制。

因此，这种无细胞系统已经成为一个非常有前途的项目。后来我们还做了一种超材料，强力胶，既有固体也有液体。可以刺激自然免疫系统，制作抗肿瘤药物。

DNA软机器人材料这个课题有点红了。我们当时想做的是一个生物检测芯片，也就是说当血液或尿液流过的时候，芯片与带有致病菌的DNA接触时会发出不同的光。这样，如果你在显微镜下检测到任何光线，你就会知道什么是感染。

但是在我们的研究过程中，突然发现在这个微流体系统中，DNA像渔网一样纠缠在一起，这些纠缠在一起的DNA可以形成不同的模式。然后我们想到了把DNA物质做成类生命。什么意思？就是给它人工代谢。

生命的另一个特征是，它具有从细胞到组织到器官和系统的层次结构。DNA也是从核苷酸到DNA的长链，然后形成染色体，所以物质本身要独立组装形成一个层级结构。

人工代谢需要控制合成和降解。DNA合成和降解很容易实现，现在的关键是如何有机地控制它们，特别是反应时间和反应空之间的控制，就像城市水管或者公路一样，我们试图把它设计成一个有反馈和调节的结构。

这样就可以在前面合成DNA，在后面降解，可以用流体力学最基础的计算机来模拟。所以我们设计了这个微小的流水线系统，加快合成速度，降级稍微慢一点，整个结构开始自动前进。如果你以同样的速度合成，以同样的速度减少，那就原地踏步。

恰好我的一个博士后是系统工程博士，做过机器人研究，所以很容易和软机器人联系。

问:DNA软机器人的应用前景是我们非常关心的问题。

比如生物检测。DNA软机器人系统与荧光检测不同，不需要定量检测(当然以后也可以做定量检测)，只需要看到目标渔网结构的样子，肉眼或者智能手机就可以识别出来，然后就可以检测出目标DNA。

这种检测系统的优点是方便、便携。可以像血糖仪一样随时随地使用。我们正在实施智能手机检测。

该系统也可用于蛋白质生产，即在时间空控制下的无细胞蛋白质生产。这是一个更高效的蛋白质生产系统，因为如果使用传统的细胞，需要先培养细胞，每个细胞都要自己生产数万种蛋白质，而你想要的蛋白质是无法大量生产的；而我们的无细胞系统只产生一种我们想要的蛋白质，这样系统所有的能量就只用来产生这种蛋白质，能量得到了高效的利用。现在我们已经生产了60多种蛋白质，它们都是活性的。

问:如何理解这种DNA软机器人系统的进化属性？

我们希望这种材料能够进化。如果这种物质有人工代谢，能够自我复制，那么它进化的可能性就存在。同时，因为可以犯错，可以设计，可以控制生成时间，这种人工进化值得进一步探索。

问:你尝试过这个领域的商业化吗？

还没有。这是世界上第一次实现类生命材料，属于最早的研究，需要进一步发展。我们正在申请最基本的专利。至于以后的商业用途，就看它朝哪个方向发展了。本人长期担任康奈尔大学技术转移咨询委员会委员，对工业技术转移比较熟悉。

罗丹介绍

美国康奈尔大学生物工程与环境工程系终身教授。他毕业于中国科技大学生物系，获美国俄亥俄州立大学分子、细胞和发育生物学博士学位。之后在康奈尔大学化学工程系完成博士后培养，转入工程领域。他在2001年继续担任助理教授。2007年获终身教职，2011年晋升为康奈尔大学生物工程与环境工程系正教授。罗丹实验室致力于基于DNA材料的研究，并将DNA视为生物遗传分子和建筑纳米材料。研究结果发表在近20种自然期刊上(包括《自然生物技术》、《自然材料》、《自然纳米技术》等)。).罗丹教授目前是许多国际杂志的编委，也是许多国家(包括美国、中国、德国、爱尔兰、新加坡等)的国家科技奖评委。)，并被邀请报道200多次。2013年，罗丹教授被同行选为美国医学与生物工程学院(AIMBE)学院院士。

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参考:

https://robotics.sciencemag.org/content/4/29/eaaw3512

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