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纳米机器人:微观世界中的 “智能医生”

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DNA 纳米机器人(图片来源:ibsafoundation.org)

想象一下,你身体里有一位“微型医生”,它比头发丝还要细小,却能在血管中自由穿梭,精准地找到病变部位,智能地做出释放药物的决策,帮助你的身体恢复健康。这听起来像是科幻电影中的情节,但事实上,这种“智能医生”正在成为现实——它就是DNA纳米机器人。

文|胡雪菲上海交通大学化学化工学院博士研究生

本文荣获“两翼杯”青年前沿科普创作大赛科普文章一等奖。

01.

微观世界的“积木”

要理解DNA纳米机器人得先从DNA说起。DNA也就是脱氧核糖核酸,是生命的基本组成部分。1953年,美国生物学家沃森和英国生物学家克里克在《自然》杂志上发表了只有2页纸和1张图的简短论文。这篇论文告诉我们:DNA只包含4种单体,分别用A、T、C、G表示,其中A与T配对,C与G配对。DNA这种精准的配对方式不仅为其携带遗传信息奠定了基础,也为其作为搭建微观世界的“积木”提供了令人兴奋的可能性。

1983年,美国纽约大学的西曼最早提出把DNA作为一种材料来使用,这个新颖的想法在当时被认为是荒诞和不切实际的,但现在已经变成现实。美国加州理工学院的罗斯蒙德最早利用这种技术,用DNA编织了一个直径为70纳米的笑脸图案。2006年,樊春海院士团队用DNA编织了一幅中国地图,这是一个不对称的DNA纳米结构,也可能是最小的中国地图之一。他们所使用的DNA纳米技术是一种利用DNA自组装特性精确制造具有所需形状和物理性质的技术。简单来说,这种技术可以像3D打印一样,将DNA编码成各种纳米尺度的一维、二维或三维结构。

02.

从“积木”到“机器人”

既然DNA可以组装成各种形状,那么是否可以用它们构建一种“机器人”呢?答案是肯定的。科学家通过精心设计,将DNA分子组装成了具有特定形貌和尺寸的纳米结构。这些结构不仅能够感知周围环境的变化,还能根据这些变化做出决策,并执行特定的任务。

举个例子,假设你体内某个部位出现了病变,特定的DNA纳米结构可以通过感知病变部位的特定信号,做出释放药物的决策,执行治疗任务。这样的DNA纳米结构具有感知、决策、执行的机器人三要素,甚至具有模块化的特征,可以集成各种各样的功能模块,是一种全新的DNA纳米机器人。诸如此类的诊断或治疗功能,使DNA纳米机器人成为一种全新的医疗工具。

03.

时空精准控制“魔法”

DNA纳米机器人的一大神奇之处在于它的“时空精准控制”的能力。简单来说,它可以在特定的时间范围和空间范围内,精确地执行任务。这种能力就像是给机器人装上了一台“微型定时器”和“微型导航仪”,让它能够在复杂的生物环境中准确地找到目标,精确地发挥作用。

这种精准控制的能力不仅提高了治疗的效率,还大大降低了不良反应。如果一种药物在体内循环时间很短,那么它就无法在病变部位积累到足够高的浓度,药效自然也不会太好;时间精准控制的能力能够让DNA纳米机器人在体内循环足够长的时间,提高药效,但又不因停留时间较长而导致药物不良反应增大。空间精准控制就更好理解了,癌症难以治疗就是因为化疗药物仅有极少数到达了癌症部位,其余都与身体内的正常细胞发生作用,产生严重的不良反应,目前的抗癌药物都存在靶向率低的通病,而DNA纳米机器人可以通过尺寸、形貌的设计和功能模块的集成,在病变部位精准积累并释放药物,大大提高药效,最大限度地减少对健康组织的伤害。

04.

可编程性的“代码”

在实现时空精准控制能力方面,DNA纳米机器人的可编程性起了关键作用。从某种意义上来看,DNA分子就是一套拥有自己的编程语言、可以被编写和执行的“代码”。科学家通过设计特定的核酸序列,利用氢键配对、碱基堆积和形状匹配等化学自组装过程,将DNA分子“编程”成多尺度、多形貌的结构。这些结构既可以是简单的线条,也可以是复杂的立体几何形状,甚至是功能化的纳米机器。科学家还可以通过定点分子修饰,为DNA结构添加各种功能模块。例如:在特定位置引入功能识别单元,使DNA结构能够精准识别目标分子;添加荧光信号分子,让这些结构在特定条件下发光,便于观察和追踪;整合生物反应底物,赋予DNA结构催化或反应能力。这种模块化的设计使DNA纳米结构具备了高度的可调控性,从而让分子识别更加精确与可控,诊疗过程更加灵敏和高效。

05.

生物安全性的“护盾”

当然,任何进入人体的医疗工具都必须经过严格的安全性测试,DNA纳米机器人也不例外。幸运的是,DNA本身是一种生物大分子,具有很高的生物相容性,对细胞和组织的毒性很小。科学家通过一系列实验,证明了DNA纳米机器人的生物安全性。在一项研究中,他们测定了注射DNA纳米机器人前后血液中一系列生理因子的水平,发现DNA纳米机器人并没有引起体内的免疫反应。此外,他们还研究了DNA纳米机器人对肾功能和肝功能的影响,发现相关指标都在正常范围内,说明DNA纳米机器人具有良好的生物相容性和很低的毒性。

06.

探索微观世界的未来

DNA纳米机器人的出现,标志着人类在微观世界中的探索又迈出了重要的一步。这种技术不仅为医学领域带来了新的希望,也为其他领域的发展提供了新的思路。例如:在环境监测中,DNA纳米机器人可以用于检测污染物;在工业生产中,它可以用于精确控制化学反应。

当然,DNA纳米机器人的发展还面临许多挑战。但无论如何,DNA纳米机器人已经为我们打开了一扇通往微观世界的大门,让我们看到了无限的可能性。

*本文刊登于《科学画报》2025年第10期,更多相关内容欢迎订阅。

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