《新型纳米马达不会损伤细胞组织,纳米机器人又前进一步》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 姜山
  • 发布时间:2018-05-21
  • "纳米机器人"是机器人工程学的一种新兴科技,纳米机器人的研制属于"分子纳米技术(Molecular nanotechnology,简称MNT)"的范畴。

    它根据分子水平的生物学原理为设计原型,设计制造可对纳米空间进行操作的"功能分子器件"。

    纳米机器人的设想,是在纳米尺度上应用生物学原理,发现新现象,研制可编程的分子机器人,也称纳米机器人。

    合成生物学对细胞信号传导与基因调控网络重新设计,开发"在体"或"湿"的生物计算机或细胞机器人,从而产生了另种方式的纳米机器人技术。

    1959 年率先提出纳米技术的设想是诺贝尔奖得主理论物理学家理查德.费曼。他率先提出利用微型机器人治病的想法。用他的话说,就是"吞下外科医生"。理查德·费恩曼在一次题目为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出:将来人类有可能建造一种分子大小的微型机器,可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质,这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。

    据悉,纳米机器人研究又有了新进展,《先进材料》(Advanced Materials)近期发表文章介绍了一种新型的纳米马达,该马达采用磁场控制螺旋纳米结构,在细胞内运动时不会伤到细胞组织,这是此技术最大的亮点。

    纳米马达由生物大分子构成,利用化学能进行机器做功,研究人员将新研发的螺旋纳米马达放入活细胞中,并引导其追踪两个字母——「N」和「M」。

    研究人员在显微镜下将细胞放入磁圈内。然后,通过旋转磁场,他们能够控制和追踪细胞内纳米马达的运动轨迹。

    据了解,此项目目前还处于初始阶段,研究人员希望未来使用此技术进行靶向药物输送、纳米传感和纳米手术。

    纳米机器人在体内其实充当了搬运工角色。与细胞同等大小的纳米机器人可以进入医疗器械难以到达的地方,然后抓住变异细胞并将其杀死。之后,纳米机器人继续在体内巡逻,寻找细菌、病毒和变异的细胞,一段时间后,它们觉得已经没问题了,就会降解融入血液之中。

    虽然听起来很科幻,但美国科学家寓言,2030 年就可以实现上述功能。当然,纳米机器人也有不好的一面。比如生产一辆汽车,需要数亿个以 100 亿为单位的纳米机器人。目前没有一个工厂能生产那么多的纳米机器人。

    但是事物总有两面性,也有人担忧一旦这些纳米机器人失去控制会对人体造成伤害,是不是还会加重癌细胞扩散。?

    这种质疑也有道理,不过科技总是在超前发展,一个新生事物只有安全性得到保障时才会被人们接受,从而得到广泛应用。据了解,该纳米机器人已经完成了动物实验,预计五年内便可进行临床试验。

    来源:微信公众号“IEEE电气电子工程师学会”

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    • 编译者:郭文姣
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  • 《新型DNA折纸电机打破了纳米机器的速度记录》

    • 来源专题:生物安全网络监测与评估
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2020-03-09
    • 通过一种被称为“DNA折纸”的技术,科学家们已经制造出了迄今为止最快、最持久的DNA纳米马达。Angewandte Chemie发表了这项发现,它为如何在纳米尺度上优化马达的设计提供了蓝图——比典型的人类细胞小数百倍。 这篇论文的资深作者、埃默里大学(Emory University)的化学教授哈立德•萨拉塔(Khalid Salaita)表示:“纳米级马达在生物传感、合成细胞的制造以及分子机器人技术方面有着巨大的应用潜力。”“DNA折纸让我们得以修补马达的结构,并梳理出控制其性能的设计参数。” 新的DNA马达是棒状的,使用RNA燃料在直线上持续滚动,无需人工干预,速度可达每分钟100纳米。这比以前的DNA马达快了10倍。 萨拉塔也是华莱士·h·库尔特生物医学工程系的教员,这是佐治亚理工学院和埃默里大学的一个联合项目。这篇论文是由Salaita实验室与埃默里大学医学院(Emory’s School of Medicine)助理教授柯永刚(Yonggang Ke)和华莱士·h·库尔特(Wallace H. Coulter)生物医学工程学院(Department of Biomedical Engineering)合作完成的。 “我们设计的DNA马达速度很快,”柯说,“但要实现大自然生物马达的通用性和效率,我们还有很长的路要走。”最终,我们的目标是制造出与蛋白质的复杂程度和功能相匹配的人造马达,这些蛋白质可以在细胞中移动货物,并让它们发挥各种功能。” 使事情的DNA,绰号DNA折纸在日本传统折纸工艺,利用DNA碱基的自然亲和力,G、C、T配对。通过移动DNA链上的字母序列,研究人员可以使DNA链以不同的方式结合在一起,形成不同的形状。DNA“折纸”的硬度也可以很容易地进行调整,因此它们可以像干燥的意大利面一样笔直,也可以像煮熟的意大利面一样弯曲缠绕。 近几十年来,不断增长的计算能力以及DNA自组装技术在基因组学行业中的应用大大推动了DNA折纸领域的发展。 DNA马达的潜在用途包括:纳米胶囊形式的药物输送装置,当到达目标位置时会打开;纳米计算机和在纳米级装配线上工作的纳米机器人。 “这些应用程序现在看起来像是科幻小说,但我们的工作正在帮助它们更接近现实,”埃默里(Emory)博士候选人,第一篇论文的作者阿里西娜·巴兹拉夫尚(Alisina Bazrafshan)说。 DNA马达的最大挑战之一是,控制纳米级运动的规则与人类所见物体的规则不同。分子规模的设备必须通过不断的分子弹幕来对抗自己的方式。这些力会导致这种微小的装置随机漂移,就像漂浮在河面上的花粉粒一样,这种现象被称为布朗运动。 液体的粘度也会对像分子这样微小的物体产生更大的影响,因此水变得更像糖蜜。 许多现有的DNA马达通过机械式的跨腿运动“行走”。问题在于两足动物的内在倾向往往是不稳定的。多于两条腿的步行电动机可以获得稳定性,但是多余的腿会使它们减速。 埃默里(Emory)研究人员设计了一种可旋转的杆状DNA电机,从而解决了这些问题。电机的杆或“底盘”由16条DNA链组成,这些DNA链以四乘四堆叠的形式结合在一起,形成具有四个平坦侧面的梁。从杆的每个表面伸出36比特的DNA,就像小脚一样。 为了促进运动,将电机放置在RNA轨道上,RNA是一种碱基对与DNA碱基对互补的核酸。 RNA拉动电机一侧的DNA脚并将其绑定到轨道。一种仅靶向与DNA结合的RNA的酶,然后迅速破坏结合的RNA。这会导致电机滚动,因为电机下一个面上的DNA脚由于对RNA的吸引力而向前拉。 滚动的DNA马达形成了一条持久的路径,因此它继续沿直线运动,这与行走的DNA马达更随机的运动相反。滚动运动还增加了新的DNA电动机的速度:它可以在两到三个小时内传播人类干细胞的长度。以前的DNA马达需要大约一天的时间才能覆盖相同的距离,而大多数马达却缺乏将其保持那么远的毅力。 最大的挑战之一是在纳米级上测量电动机的速度。通过在DNA马达的任一端添加荧光标签并优化荧光显微镜上的成像条件,可以解决该问题。 通过反复试验,研究人员确定刚性杆的形状对于直线运动是最佳的,并且电动机每个面上的36英尺为速度提供了最佳密度。 Bazrafshan说:“我们为DNA折纸电机提供了一个可调平台,其他研究人员可以使用该平台来设计,测试和优化电机,以进一步推动该领域的发展。” “我们的系统允许您测试各种变量的影响,例如底盘形状和刚度以及支脚的数量和密度,以微调您的设计。” 例如,哪些变量会引起DNA马达绕圈运动? 还是电动机绕过障碍物? 还是可以响应特定目标的人? Bazrafshan说:“我们希望其他研究人员根据这些发现提出其他创造性的设计。”