听说把这个机器人放进血管,就可以饿死肿瘤

  提到机器人大家脑海中浮现出的第一印象可能都是那些长得似人非人有着钢筋铁骨的呆萌机器。  提到机器人大家脑海中浮现出的第一印象可能都是那些长得似人非人有着钢筋铁骨的呆萌机器。
  但与大家的直观感受有所不同其实“机器人”这一概念的定义非常宽泛凡是能自助执行任务用来协助人类工作的人造装置都能算做是机器人。

    所以广义上说生产线上的装配机食堂里切刀削面的奥特曼乃至家里常见的滚筒洗衣机都属于机器人的范畴。
  而有一类特殊的新概念“机器人”既他国钢铁身躯也他国电子元件这种让人感觉摸不着头脑的“机器人”就是纳米机器人了。
  通俗来讲所有能够在纳米(也包括几微米)尺度上完成任务的东西都能算作纳米元件其中自然也包括细胞内合成蛋白的核糖体溶解细胞废物的溶酶体在细胞间传输信号的外泌体等等。

    
  但如果说他们是机器人还差了一个至关重要的因素那就是人工制造。与这些天然纳米原件相似纳米机器人也是在纳米尺度上执行化学或生化任务构成这些纳米机器人的一般也不是电子元件而往往是一些有机分子(也有可能带有金属等无机部件)。驱动它们运行的一般也不是宏观机器人常用的电能而是天然纳米原件中常见的生物化学反应。而纳米机器人和天然纳米原件的严重区别就是纳米机器人执行的不是老天爷在几百几千万年前协议的任务而是设计他们的科学家开的脑洞。

    
  近日上海交通大学和中科院上海应用物理研究所的科学家们就开发出了一种很意思的纳米“领航员”机器人(发表在nature material自然。材料上)。它们使用dna“折纸”(dna origami)制作了一种纳米尺度的方形二维结构然后在上面的特定路线留下发夹状的dna分子路标。之后再加入能“激活”这些路边的启动子(只需要一个哟)和用于促使反应持续的“燃料”分子单分子链式反应就能沿着设计者留下的分子路标向前推进。

    

这个纳米领航员机器人的工作方式很像大家常见的多米诺骨牌

这个纳米领航员机器人的工作方式很像大家常见的多米诺骨牌
  看着很晕是不是?下面我用人话来翻译一下。大家想象一下二维的dna折纸就像一块地板。在地板上有一排用dna分子做成的多米诺骨牌在他国启动分子的情况下这些骨牌都是稳定得立着的但当你向骨牌的一端扔下一块启动分子的时候这些骨牌就会依次朝着另一端倒下从而使倒下的骨牌形成一条显着的通向另一端的路径。

    
  但与能同时触发多条分叉路径的多米诺骨牌不同在这个纳米领航员的骨牌玩耍里如果留下的dna路标被做成了有多条分叉的迷宫单分子“领航员”就只会因时制宜沿着其中的一条路径向前延伸(也有可能走到死路)。不过这样的一张纳米折纸比大家用来玩骨牌的地板要小得多也就是说可以在不大的面积里同时放下许多这样的dna纳米折纸。哪怕单个单元里“分子领航员”找到准确路径的概率不大只要有充足多的纳米折纸总有一些运气比较好的分子领航员会找到走出迷宫的最好路径。

    

被大量领航员纳米机器人暴力破解的迷宫路径

被大量领航员纳米机器人暴力破解的迷宫路径
  简而言之在这个纳米骨牌系统里每一片dan纳米折纸和它上面的分子领航员都可以被看成一个计算单元。原因一片折纸只有纳米尺寸可以在微米尺度的面积内放下许多个计算单元拥有可观的计算能力。这种特性可以被用来用枚举法“暴力破解”纳米迷宫也有希望被用来制造纳米级别的分子传感结构。从这种意义上说这个系统被称为纳米“机器人”或者说分子计算机也算当之无愧了。

    
  纳米机器人:正确打击实体肿瘤
  基于有机分子的“纳米机器人”远不止有暴力破解纳米迷宫这一种听起来不太贴近生活的功能。前一段时间我们曾经报道过亚利桑那州立大学和中国纳米科学中央的科研人员开发出了一种同样是基于dna折纸技术且可以正确打击实体肿瘤的“纳米机器人”该文章发表在今年二月的nature biotechnology (自然生物技术)。

    简而言之这个纳米机器人在被注射入体内之后可以利用外表携带的肿瘤特异性配体(aptamer)识别肿瘤富集的局部环境并在找到这种特殊的靶点环境之后由筒状展开成片状露出内部携带的能杀伤实体肿瘤的药物 (在他们的设计中是凝血酶)。

    其工作机理非常类似于现代战争中常用能找寻攻击目标并在到达目标后才起爆的正确制导巡航导弹。

抗肿瘤纳米机器人两边的绿色dna配体用来识别肿瘤细胞中央携带的紫色物体是抗实体瘤所用的凝血酶 上图为巡航状态下图为攻击状态

抗肿瘤纳米机器人两边的绿色dna配体用来识别肿瘤细胞中央携带的紫色物体是抗实体瘤所用的凝血酶 上图为巡航状态下图为攻击状态
  除了上文中介绍到的两种纳米机器人之外还有很多种用于正确给药等功能的纳米机器人其中的一些听起来非常科幻已经超出了作者的了解范围在此就不班门弄斧了。

    
  值得注意的是而包括本文详细介绍的两种技术在内的几乎所有纳米机器人都不需要电能驱动它们的工作过程高度依赖于它们自己的特殊物理性质和高度特异的化学反应。这就导致了它们的设计和制造过程不仅非常复杂而且成本昂扬。
  我自傲如何让这些高端大气上档次的新概念纳米机器人逐渐走入寻常百姓的生活将会是很多科学家在未来一段时间内努力的目标。

    让我们拭目以待吧!