“由于DNA序列具有良好的生物相容性、相对的化学稳定性 , 因此DNA纳米机器人也具有这些特点 , 且还具有药物包裹和药效保护、提高肿瘤细胞对药物的摄取效率等多种独特功能 。 ”李绍飞说 。
“在试管液体环境下 , 智能DNA分子纳米机器人会自动识别目标生物分子 , 然后迅速集结展开‘围攻’ , 实现对目标生物分子的捕获和信号放大 , 有助于研究人员对其快速追踪 。 ”李绍飞说 , 这就像一只蜜蜂盯上了目标物 , 然后召唤其他蜜蜂不断围攻 , 形成容易被发现的聚集群一样 。
李绍飞介绍 , 智能DNA分子纳米机器人模型以短的单链DNA为骨架 , 长度通常为100个左右的核苷酸 , 通过自身折叠形成纳米尺度的结构 , 其形状类似于一个发夹 。
智能DNA分子纳米机器人模型由多功能机械臂和备选附件(药物、信号标签、靶标钳夹等)、靶标验证器、智能云集路径控制器和自组装马达等部件组成 。 每个部件都有各自的“使命” 。 例如 , 多功能机械臂可以从混合物中抓取目标分子 , 然后由靶标验证器检验抓取目标的正确性 。 在抓取和识别到正确的目标分子后 , 机器人开始在路径控制器的引导下 , 按照非线性的路径方式云集 , 并依赖自组装马达驱动机器人完成云集组装 , 最终形成大的组装体 。 当这些部件完成各自“使命”时 , 目标分子充分“暴露” , 只能乖乖“束手就擒” 。
补齐短板方可迎来广阔前景
早在1959年 , 诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼就提出了纳米机器人的设想 , 这是药物靶向递送纳米机器人概念的起源 。 20世纪90年代 , 纳米技术的兴起 , 不断推动纳米机器人的发展 。 2017年 , 美国科研人员在《科学》杂志上发文 , 介绍了一款具有分拣功能的DNA纳米机器人 , 它可以抓住某些分子 , 并且将它们释放到指定的位置上 , 这是DNA机器人的重要一步 。 2018年 , 我国国家纳米科学中心设计出一种DNA纳米折纸机器人 , 可携带药物准确寻找到癌细胞的藏身之处 。
“无论是国内还是国外 , 对DNA纳米机器人的研究仍处于初级阶段 , 距离临床应用还有很长的路要走 。 ”李绍飞认为 , 虽然经过几十年的研究和发展 , DNA纳米机器人作为新型药物靶向递送系统 , 不断取得突破 。 然而 , 为了满足生物医学应用的实际需求,纳米机器人在生物安全性、体内跟踪导航、递送效率、可持续地精确操控以及其他方面仍然存在诸多挑战 。
李绍飞表示 , 他们研究团队成员分别将肿瘤细胞小分子和外泌体等作为靶标 , 成功对靶标实现了追踪 , 初步验证了智能DNA分子纳米机器人模型的应用性能 。
尽管目前已经创新了方法原理 , 并且建立了模型 , 但李绍飞坦言:“考虑到DNA分子运动的复杂性和表征手段的局限性 , 以及生物样品的多样性 , 对模型的应用性能探索空间还很大 。 ”李绍飞表示 , 下一步 , 团队将重点优化智能DNA分子纳米机器人模型云集组装效率 , 并进一步整合优良的信号读出技术 , 挖掘其在DNA纳米技术、生化分析和生物医学中的应用潜能 。
“特别是针对当前流行传染性疾病 , 团队正着手探索利用智能DNA分子纳米机器人模型进行超灵敏诊断的可行性 。 ”李绍飞表示 , 随着计算机科学、材料学、机器人学和医学等学科的发展和学科交叉的融合进步 , 智能DNA纳米机器人在药物靶向递送中必然拥有广阔的前景和发展空间 。
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