纳米机器人：微观世界中的 “智能医生”

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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