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DNA机器,前进吧!

2016年诺贝尔化学奖颁给了三位研究分子机器的化学家,获奖理由是“分子机器的设计与合成”。他们通过有机分子合成制造了分子机器,把科幻照进了现实。如今利用可编程的生物材料——DNA,生物化学家和生物物理学家创造出具有各项功能的DNA机器。来看看这些前沿实验室里他们捣鼓出了什么,DNA机器人?他们会满足于此吗?
 
作者 | 尼娜·诺特曼(科学作家)
 
翻译 | 继省
 
核酸构成的机器渐入佳境。
 
——尼娜·诺特曼(Nina Notman)
 
人体内有数以百万计的分子马达以及各类“机器”——这些机器维持了我们肺部的呼吸、心脏的跳动、大脑的思考、消化系统的蠕动……“生命就是这么神奇。在生命的微观水平上,有各种各样不可思议的功能。我们了解得越多,就越想把这些功能重演出来。”哈佛大学生物化学教授威廉姆·施(William Shih)如是说。
 
这一领域的研究者常提起的启蒙之作,是1966年上映的科幻电影《神奇旅程》(Fantastic Voyage)。电影中有一艘潜艇,它和全体船员整体缩小后,被送入一位受伤的科学家体内,修复他的大脑。这部电影给了人们一种希望——未来某一天,人造的分子机器也可以轻松进入体内,完成药物递送、疾病诊断、手术操作等任务。分子机器还有医学之外的用途,比如作为分析工具,或是化合物合成的纳米工厂等等。
 
如今,用于搭建分子机器的材料有两类:其一是合成有机分子,这一领域的先驱已在2016年荣膺诺贝尔化学奖;其二是生物材料,也就是本篇专题的核心内容。
 
像儿童积木一样
 
自然界主要用蛋白质当零件来搭建分子机器,而研究者们则使用DNA。施解释道,“相比蛋白质,对DNA进行编程更容易制造出不同的形状和功能。”
 
DNA把遗传指令储存在由四种碱基组成的序列中,序列中腺嘌呤(adenine,A)、胸腺嘧啶(thymine,T)、鸟嘌呤(guanine,G)、胞嘧啶(cytosine,C)沿着骨架排列。单链DNA总会自动组装成双链,而且方式可预测:A与T配对,G与C配对。德国慕尼黑技术大学生物物理学教授弗莱德里希·西蒙(Friedrich Simmel)解释说,当把DNA用作“建材”时,研究者可以把DNA链上的碱基序列视为一种代码,代码规定了DNA链的一部分一定会紧贴另一部分。“我们基本可以忽略化学上的复杂性,因为所有的事情都是自动完成,简化成一行代码。”
 
最早想到用DNA作“建材”的人,是美国纽约大学的奈德·西曼(Ned Seeman),那是在上世纪80年代初。自那以后,一系列技术问世,用于构建各种可以想象到的DNA结构。这些技术里就包括DNA折纸(DNA origami),这是美国加州理工大学的保罗·罗斯蒙德(Paul Rothemund)的脑洞:用短链DNA作“订书钉”,把长的单链DNA折叠成复杂的三维形状。他的团队还制作了DNA瓦片(DNA tiles)和砖头(DNA bricks),这些东西可以像搭乐高积木一样组合在一起。
参考插图:乐高型DNA结构丨图源:Science
 
在过去几年里,DNA纳米技术的两大障碍——尺寸和稳定性——得到了突破。慕尼黑科技大学生物物理学教授亨德里克·迪茨(Hendrik Dietz)表示,在这之前,设计超过100纳米的自组装DNA结构非常困难。2017年来自加州理工的迪茨、尹鹏(译注:现任职于哈佛大学)和钱璐璐,同时公布了三种不同的策略,这才打破了这道屏障。
 
DNA骨架带负电荷,这意味着当折叠后的DNA彼此靠近时,它们会本能地互相排斥,导致结构散开。在实验室里,将DNA置于高度阳离子溶液就可以抵消排斥力。但是,人体并没有给DNA提供这样的理想乐园。人体内,DNA结构会遭受DNA酶的持续攻击,这种酶生来就是降解DNA分子的。迪茨解释说,“我们必须要做的,就是找到办法来稳定DNA折叠结构。这样当我们从实验的理想条件转移到实际应用时,这些结构依然能保留下来。”迪茨的团队和施的团队近期都发展出了稳定DNA结构的手段,他们利用化学交联的方法把DNA结构连在一起。“现在终于可以让这些结构在体内存在数周,或是更长时间了。”施说。
 
来一点儿“小摇摆”
 
单单是一个大型的稳定结构还不足以成为机器:所谓机器,就要能移动。西蒙提到,双链DNA类的刚性元件,加上单链DNA这样的柔性元件,这两者的混合体在布朗运动驱使下便可以四处移动。但是,让它们以高度可控的方式运动极具挑战性。
 
DNA的可预测和可编程属性在自组装过程中非常重要,也是DNA机器中的关键。2000年,时任贝尔实验室研究员的伯尼·育克(Bernie Yurke)和英国牛津大学物理学教授安德鲁·特伯菲尔德(Andrew Turberfield),合作揭示了首个指导DNA运动的手段:DNA-伴侣替换过程,即链置换反应。这一方法至今仍广泛应用。特伯菲尔德解释说,“这就是把双链中的某一条链整体或者一部分,用带有相同碱基序列的另一条链替换掉。”
 
例如,DNA步行者(walker),可以通过把双链拉开再合上的方式反复进行“伴侣”替换,使得它的“双脚”沿着一排带有互补碱基对的“桩子”上下踱步。
 
2017年,加州理工学院的研究者证实,DNA运输装置可以利用链置换反应分选货物。这种DNA“货物分选员”可以在某个表面上游荡,挑捡起废弃的货物,将它们分成不同的堆;像我们在家里收脏衣服一样,把有色衣服和白色衣服各放一堆。
 
DNA机器所行走的表面,是由单链DNA聚集而成的二维DNA折纸结构。货物则是一些包含DNA“条形码标签”的单链DNA。机器人是一条单链DNA,由三部分组成:走路的“脚”,收集运输货物的“手臂”,和阅读标签的片段。
 
机器人会在表面随机游走,直到撞上货物。它会捡起货物,继续游荡直到卸货点。如果货物条形码与卸货点匹配,机器会把货物从手上解开放下。“机器人清楚每个货物的去向;因为每个货物都会有一个DNA条形码,这些目的地里只会有一个与条形码匹配。”加州理工计算机科学家埃里克·温弗力(Erik Winfree)解释说。
 
这类机器最初得到证明,是用机器人分选带有绿色和红色荧光染色的DNA。不过,研究团队指出,DNA机器也能分选其他小分子,包括适配体(aptamer,指一类通过折叠形成特定的三维空间构型的单链核酸分子)、抗体、小分子化合物、金属纳米颗粒和蛋白质。
 
“能把物体从A点运输到B点是非常重要的。”施解释道,“在电子装置中,可以用电流改变机器状态。与此类似,我们可以利用物质的物理运动来完成相同的事情。”
 
加快进程
 
DNA货物分选员干活儿非常慢,把6个染料分子分成两堆要用24小时。为了加速这一过程,团队使用了多个机器人同时工作。另一种办法是让机器从A点直达B点,而不是随机游走。但是,说起来容易做起来难。为了在系统中制造前进的偏向力,有种办法是使用短链DNA(在这里也被称为化学燃料)来参与链置换反应。“这是一种设计不平衡反应网络的工具”,发明这一概念的特伯菲尔德解释说,“这是一个聪明的动力学技巧,可以使落在后面的那只脚比前面那只脚抬得更快。”
 
如今,施的实验室正在使用化学燃料来为驱动DNA纳米卡尺。这些纳米卡尺在大分子周围逡巡并展开测量。施表示,这些像夹子一样的工具包围在目标的不同部位,而它们在不同点覆盖目标表面需要延伸放大的倍数,如此就标示了目标在该处的长度。终极目标是用这些工具来解析大分子的三维结构,可能比现用的X射线晶体学等传统解析工具都要快。“不必再直接对分子进行成像,而是用这些小尺子去测量所有成对的点与点的距离,然后我们把这些距离数据输入进结构预测程序,程序便可以重建出分子的整体三维形状,并且深入细节。”施解释说。他正在与哈佛的同事卫斯理·黄(Wesley Wong)合作开发这个工具。
 
用“力”
 
给DNA机器加速的手段还包括:改变溶液pH值、添加离子、用光激发或是施加电场。西蒙的实验室采用了最后这种方法来控制DNA机械手臂。西蒙说,改造后的机械臂比传统DNA机器手臂运动快了10万倍。
 
机械臂是一束刚性DNA双链,通过单链DNA粘附在三维DNA折纸平台上。单链DNA相当于灵活的关节,使得机械臂可以相对平台旋转。由于DNA带负电荷,当系统受到电场作用时,机械臂向DNA移动。西蒙也向DNA折纸平台中引入了一系列停靠站点,以此来增加对机械臂的位置控制。平台和手臂有互相匹配的凸出短链DNA,当它们靠近时便可配对,将手臂锁住不动。
 
西蒙实验室证明,这一手臂可以在平台上运输有机荧光染料和金纳米杆。他解释道,这个货物运输装置可以作为工厂流水线的分子版本,由外部操作者发出指令,指导分子快速构建。
 
变大我吧
 
DNA机器的另一个潜在应用是用于控制宏观尺寸的机器人。“我的课题组正在制造可以整合传统软材料(如水凝胶)和驱动其运动的动态DNA元件的机器。”瑞贝卡·舒曼(Rebecca Schulman)说,她是美国约翰霍普金斯大学的生物分子工程教授。这些机器人尺寸在10微米到10毫米之间。
 
舒曼实验室的水凝胶使用DNA双链固定,而没有用传统的小分子交联剂。她说,“我们的材料包含聚丙烯酰胺,它们通过杂交DNA实现物理交联。”她的团队使用链置换反应来胀大水凝胶,将大量的发卡形状的DNA分子插入到DNA双链交联结构中,使得结构延伸,从而导致水凝胶生长。舒曼说,“这种材料生长时,尺寸的变化非常显著。我们把材料的体积放大了100倍。”
 
团队现在正利用这一现象,通过控制不同部位的膨大时机,来实现控制宏观尺寸机器人的运动。他们把不同种类的DNA水凝胶放在设备的不同部位上。每个水凝胶所交联的DNA双链里都包含不同的碱基序列,它们只会响应序列匹配的DNA发卡。利用这种方式,团队实现了在水凝胶“花朵”上指定“花瓣”的折叠,也制造了一只水凝胶“螃蟹”,它的触角、钳子和腿都可以响应不同的DNA发卡结构而发生弯曲。
水凝胶螃蟹丨图源:约翰霍普金斯大学瑞贝卡·舒曼实验室主页
 
团队的终极目标是,设计出可以响应外界刺激后自主运动的机器人。为了向这一目标迈进,团队正在设计可以释放DNA发卡的感受器,使装置可以在特定小分子的刺激下发生移动。舒曼说,“这不仅对机器人来说是很初始的一步,对控制器也是。”
 
自主运动装置的应用可能作为一种智能捕获装置,可以探测化学梯度并沿此移动。“拥有对远处化学信号作出反应并移动的能力,机器人就可以找到并捡拾特定类型的细胞或者碎片。这种机器人可以开展生物活检,或者保证物质表面极度清洁。”舒曼说道。
 
指示时间
 
在美国加州大学洛杉矶分校艾丽莎·弗朗克(Elisa Franco)的实验室,正聚焦于自主性DNA机器的时间控制。她解释说:“我感兴趣的是,理解如何使DNA纳米结构响应刺激后改变形状,以及如何使这种形状改变在定期内规律地发生。”
 
2019年,她的实验室展示了可以节律性地组装和解离的DNA纳米管。纳米管的基础材料是DNA瓦片,瓦片上有多条单链DNA。当来自于不同瓦片的DNA单链互补链配对成双链,纳米管组装开始;而当“入侵链”到来并破坏原有配对后,纳米管发生解离。之后,通过“反入侵链”来将已结合的入侵链替换掉,便可引发DNA纳米管的重组装,使得DNA瓦片再次自由形成纳米管。弗朗克说,“我们现在有纳米尺寸的单体,它们可以在几分钟内就长成微米级的管状结构。”
 
研究者受到了细胞骨架的启发,后者是细胞分裂过程中周期性生长的管状网络。弗朗克说,“我们想要同样的动作反复进行。”入侵链和反入侵链可以周期反复地人工添加到系统里,来控制组装和解离。但是,为了实现自主控制,团队将系统与一个合成的分子振荡器结合,利用这个振荡器调控两种DNA链的释放。
 
振荡器包括一个负反馈基因环路和两个酶。环路由两个分别编码入侵链和反入侵链的合成DNA基因形成;两个酶则分别是负责制造入侵链和反入侵链的RNA聚合酶,另一个是可以降解两种链的核酸酶。基因的振荡行为由入侵链和反入侵链的周期性产生和降解来驱动。
 
弗朗克希望,这些纳米管最终能被用到有功能的人造细胞里。她说,“此刻,我们正试着将这个系统包裹到水滴中。液滴是细胞的一种最小等价结构,我们正在研究如何搭建全由DNA组成的人造细胞骨架。”
 
进入工厂
 
DNA机器的设计师也受到了另一种细胞机器的启发——核糖体。核糖体是分子型的蛋白工厂,沿着信使RNA(messenger RNA)链移动,将氨基酸(带有转运RNA分子标签)依据信使RNA碱基序列中编码的信息,依次组装到一起。
 
研究者将同样的概念来指导多聚物的合成。特伯菲尔德表示,“我们和伯明翰的蕾切尔·欧雷丽(Rachel O’Reilly)团队一道,正在开发分子机器,用于基因编程的多聚物合成。”在这种设定下,人工合成的DNA链将扮演信使RNA和转运RNA的角色,合成的单体则替换了氨基酸。特伯菲尔德解释说,“我们得到了一系列不同的零件,这些零件会被与转运RNA类似的DNA识别。我们的机器由基因编程,它会识别接头(adapter)序列,把这些零件搬运到多聚物生长的场所附近,强制它们以设定好的顺序进行反应。”
 
这种自主的系统已经将多种天然和非天然的零件连接到了一起:使用多肽键和碳双键将零件相连,甚至不需要进行纯化。特伯菲尔德乐观预计,这一技术会在制药行业得到应用,用于快速合成大规模组合文库来发现药物前体。他们的想法是在一个反应器中,制造出由基因编程的万亿级数量分子的“一锅靓汤”,并且DNA标签依然贴附在这些分子上。这锅汤接下来会用于筛选药物靶点;一旦发现了阳性的反应,DNA标签便可用于识别引发反应的分子。
 
DNA已经成功地向人们证明它可以作为可编程的工程机器,然而,这一领域的很多研究者都预计DNA最终会成为过去时。它会被新的天然和人造材料所取代。这些新材料同样能自我组装,但却拥有更强更有用的功能,比如带有电磁特性。施说,“DNA在这段历史上是一个示范性的材料,我们可以用它来测试打包生命各项功能的各种想法,但最终我们还是要把花样投入到其他材料中。”
 
迪茨同意这一观点,“在物理学上,我们常常遵循这样一种哲学:先拿一个简单系统去尽可能学习,然后再去逐渐探索更复杂的东西。”
 
参考资料
 
1 原文:https://www.chemistryworld.com/features/dna-machines-get-a-move-on/4012993.article
 
2 https://science.sciencemag.org/content/338/6111/1159.full



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