快了10万倍!DNA纳米机器人技术背后的原理?

据外媒报道,慕尼黑工业大学(TUM)的科学家基于分子研发出一种DNA纳米机器人(具体来说,就是一只机械臂),当技术发展成熟后,它就可以被用于完成“即时任务”。

“通过施加电场,我们可以在平面上任意旋转手臂,” 慕尼黑工业大学合成生物系统物理系主任Friedrich Simmel教授这样解释道。

他的团队首次成功控制纳米机器人,同时创造了一个记录:新技术比以前的方法快了10万倍。

世界各地的科学家们正在为未来的纳米工厂研究新技术,他们希望有朝一日能够用来分析生化样品或生产活性药物。使用DNA折纸技术可以有效地生产所需的微型机器。

这些分子机器迄今尚未大规模部署的一个原因是它们太慢了。构建模块被酶、DNA链或光线激活,然后执行特定任务,例如聚集和传输分子。

然而,传统的纳米机器人需要花费数分钟甚至数小时来完成这些动作,因此,在实际的应用中,高效的分子装配线不能用这些方法实施。

慕尼黑卓越集群纳米科学计划联合协调人Simmel解释道,“建立纳米技术装配线需要一种不同类型的推进技术。我们提出了完全放弃生物化学纳米机器转换的想法,以利于DNA结构和电场之间的相互作用。”

推进技术背后的原理很简单:DNA分子具有负电荷。因此,生物分子可以通过施加电场来移动。从理论上讲,这应该允许使用电场控制由DNA制成的纳米机器人。

为了确定机器人手臂是否以及如何快速与电场对齐,研究人员将数百万个纳米机器人手臂贴到玻璃基板上,并将其放入一个带有专门为此目的而设计的电触点的样品架中。

每个由第一作者Enzo Kopperger制作的微型机器人包括一个400纳米的手臂连接到一个刚性55X55纳米基板和一个未配对的碱基组成的柔性关节。这种结构保证了手臂可以在水平面上任意旋转。

在荧光专家Don C. Lamb教授为首的慕尼黑路德维希Maximillians大学协作下,研究人员使用的染料分子标记的机器人手臂的顶端。他们用荧光显微镜观察他们的运动。然后他们改变了电场的方向。这使得研究人员可以任意改变手臂的方向,并控制运动过程。

Simmel表示,“实验表明,分子机器可以移动,因此也可以用电驱动。由于电子控制过程,我们现在可以在毫秒的时间范围内启动运动,因此比以前使用的生物化学方法快了10万倍。”

新的控制技术不仅适用于染料分子和纳米粒子的移动,微型机器人的手臂也可以对分子施加力。

Simmel强调,这些相互作用可以用于诊断和药物开发,他表示,“纳米机器人小而经济。 数以百万计的纳米机器人可以并行工作,以寻找样本中的特定物质或合成复杂的分子,这与流水线完全不同。”

原文发布于微信公众号 - 机器人网(robot_globalsources)

原文发表时间:2018-01-23

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