就像蒸汽机为工业革命奠定了基础，微晶体管引发了数字时代一样，由DNA制成的纳米级设备正在开启生物医学研究和材料科学的新纪元。
“科学”杂志在埃默里大学化学教授Khalid Salaita和Wallace H. Coulter生物医学工程系研究生Aaron Blanchard的“透视”文章中描述了DNA机械装置的新兴用途。乔治亚理工学院和埃默里分校。
这篇文章预示着一个新的领域，布兰查德称之为“DNA机械技术”，以设计生成，传递和感知纳米级机械力的DNA机器。
Salaita说：“很长一段时间以来，科学家一直擅长制造比人的头发还要小数百倍的微型设备。制造功能性的纳米设备要比其小数千倍，这更具挑战性。但是，使用DNA作为组成部分，可以构建极其复杂的纳米器件，因为DNA部件是自组装的。“
DNA或脱氧核糖核酸以编码和存储遗传信息的形式由四个化学碱基组成：腺嘌呤（A），鸟嘌呤（G），胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。 DNA碱基具有天然的亲和力，可以相互配对 - A与T和C与G配合.DNA的合成链可以与来自噬菌体的天然DNA链结合。通过移动链上的字母序列，研究人员可以通过创建不同形状的方式将DNA链结合在一起。 DNA链的刚度也可以很容易地调整，因此它们可以像一块干意大利面条一样保持笔直，或像弯曲的意大利面一样弯曲和卷曲。
使用DNA作为建筑材料的想法可以追溯到20世纪80年代，当时生物化学家Nadrian Seeman开创了DNA纳米技术。该领域使用链DNA制造纳米级的功能性设备。制作这些精确的三维结构的能力始于一种新奇的绰号DNA折纸，产生了诸如世界的微观地图之类的物体，以及最近有史以来最小的井字游戏。 DNA板。
对新奇物体的研究继续为DNA的机械性质提供新的见解。这些见解推动了制造能够产生，传递和感应机械力的DNA机器的能力。
“如果你将机械设备的这三个主要组件放在一起，你就会开始获得锤子，齿轮和轮子，你可以开始制造纳米机器，”Salaita说。 “DNA机械技术扩大了涉及生物医学和材料科学的研究机会。它就像发现一个新的大陆并开辟新的领域来探索。”
这种装置的潜在用途包括纳米胶囊形式的药物递送装置，当它们到达目标位置时打开，纳米计算机和纳米机器人在纳米级装配线上工作。
基因组学工业用于生物医学研究和诊断的DNA自组装的使用进一步推动了DNA机械技术的发展，使得DNA合成成本低廉且易于获得。 “可能任何人都可以梦想纳米机器的设计并使其成为现实，”Salaita说。
他以创建一把纳米剪刀为例。他说：“您知道您需要两个刚性杆，并且它们需要通过枢轴机构链接。” “通过修补一些开源软件，您可以创建此设计，然后转到计算机上并下达订单以自定义合成您的设计。您将在试管中收到订单。您只需将试管中的内容放入解决方案中，让您的设备自组装，然后使用显微镜观察它是否按照您认为的方式工作。”
Salaita的实验室是全球仅有的100个从事DNA机械技术前沿研究的实验室之一。他和布兰查德（Blanchard）开发了世界上最强大的基于DNA的合成马达，最近在《纳米快报》上对此进行了报道。
Salaita研究的重点是绘制和测量细胞的推拉方式，以了解有关人体免疫系统的机械力的更多信息。
Salaita开发了首批用于细胞的DNA测力计，提供了一个分子在活细胞整个表面上施加到另一个分子的机械力的第一张详细视图。绘制此类力图可能有助于诊断和治疗与细胞力学有关的疾病。例如，癌细胞与正常细胞的移动方式不同，目前尚不清楚这种差异是疾病的原因还是结果。
2016年，Salaita使用这些DNA测力计为T细胞（免疫系统的安全卫士）的机械力提供了第一个直接证据。他的实验室展示了T细胞如何使用一种机械的“握手”或拖船来测试它们遇到的细胞是敌还是友。这些机械拖船对于T细胞是否发起免疫反应至关重要。
Salaita解释说：“您的血液包含数百万种不同类型的T细胞，并且每个T细胞都经过进化以检测某种病原体或外来物质。” “ T细胞使用这些机械拖船不断采样整个身体的细胞。它们结合并拉动细胞表面的蛋白质，如果结合牢固，则表明T细胞已发现异物。”
Salaita的实验室基于最近在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表的论文中的这一发现。 Emory化学研究生马荣（Rong Ma）领导的工作完善了DNA测力计的灵敏度。他们不仅能够以轻微的力量检测到这些机械拖船，而且几乎是回形针重量的十亿分之一，它们还可以捕捉到眨眼间短暂拖曳的证据。
该研究对免疫系统所涉及的机械力提供了前所未有的见解。萨拉塔说：“我们发现，除了进化以检测某些外来物质外，T细胞还将对外国特工施加非常短暂的机械拖船。”拖船的频率和持续时间取决于外源物质与T细胞受体的匹配程度。
该结果提供了一种预测T细胞免疫应答强度的工具。 Salaita说：“我们希望该工具最终可以用于微调个别癌症患者的免疫疗法。” “它可能潜在地帮助改造T细胞来治疗特定的癌细胞。”
——文章发布于2019年9月18日
