上海交大化学化工学院樊春海团队研制出单分子DNA巡航机器人

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2018-11-08

近期,上海交通大学与中国科学院上海应用物理研究所▓、慕尼黑工业大学等单位合作研制了一种单分子DNA巡航机器人▓,并实现了纳米尺度的迷宫行走▓▓▓▓。

该工作以“Solvingmazeswithsingle-moleculeDNAnavigators”为题在线发表于《自然-材料》杂志▓。 蛋白质机器是细胞内发挥生理功能的重要单元。

而化学家一直努力在试管中设计与合成人工分子机器▓,来模拟生物体内的天然分子机器的功能,并利用人工分子机器来构建单分子机器人等▓。 分子机器研究领域近年来得到了飞速发展▓,已经研制出利用光▓、电、化学能等来驱动的各种分子机器▓▓▓。

然而▓▓,如何发挥分子机器的功能并实现一定的应用则存在很大困难▓▓▓。 特别是常规的分子机器往往难以进行有序多级组装▓▓▓,这限制了利用分子机器构建特定功能器件或分子机器▓。

DNA分子作为一种进化产生的遗传物质▓,具有卓越的碱基配对识别能力▓,可以实现精确的分子自组装▓,并且可以构筑出具有高空间分辨和定位能力的纳米结构▓。 因而▓▓,DNA纳米结构已在纳米电子学▓▓▓、纳米光子学、单分子催化等研究领域中发挥了重要作用▓▓▓。

上海交通大学化学化工学院樊春海教授与同济大学柳华杰教授(原为上海应用物理研究所研究员)、慕尼黑工业大学教授FritzSimmel等合作,通过将DNA杂交链式反应精确“锚定”到DNA纳米结构上,可以实现在纳米界面上沿着设计路径的分子级联反应。 借助于原子力显微镜和超分辨显微镜等单分子成像技术,研究者可以清晰观察到DNA分子机器人的行走轨迹▓▓。 该DNA分子机器人在引发信号链的作用下,可以在沿着预先设定的路径直线或转弯行走▓▓。

为了展示这一DNA分子机器人的智能运算能力,他们在DNA纳米结构上设计了一个迷宫,利用DNA分子机器人的并行运算能力来求解这个迷宫问题▓。 迷宫有唯一的入口(A)和唯一的出口(J),以及四个非出口的终点(C,F▓,G▓,H)▓。 在DNA分子机器人行走过程中▓▓,每个结构上DNA分子会从起点开始,走向一个终点,或者走向出口。 通过单分子成像,他们观察到了DNA分子行走过的所有路径▓,从而可以获得迷宫正确行走路径的解▓▓。 这种将DNA分子反应与智能运算的有机结合▓▓,为发展单分子智能传感和疾病诊疗提供了新思路。

论文链接:▓▓▓。