@ 2018.12.28 , 14:00

世界上最小的连城井字游戏

大约一年前,加州理工学院的生物工程助理教授Lulu Qian开发出了一种被称为DNA折纸的技术来拼接微小的拼图覆片——这种类似迷你瓷砖的材料可以自动组装成更大的纳米结构(迷你瓷砖类似于基本像素,纳米机器相当于像素组成的图案,DNA指导像素自行组成图案,就像动物身上自动生出的胎记)。在演示中,他们借助DNA特性制作出了史上最小版的《蒙娜丽莎》。

这一技术令人印象深刻,但该技术的局限性恰与油画本身相似:图像一旦被创建,就难以改变。

现在,加州理工学院的团队实现了技术上的又一次飞跃。他们创造出了更具动态性的覆片自组拼接技术——也就是说,研究人员能够重塑已经成型了的DNA结构。作为示范,他们制作了一款分子尺度的井字游戏,玩家在棋盘上添加特殊的DNA贴片来代表X或O。

世界上最小的连城井字游戏
通过DNA片段驱动纳米覆片自动行棋的连城游戏 Credit: Caltech

连城或井字游戏,作为最简单的棋类,很久以前我们就可以单纯借助电路设计或算法,在机械和电子设备上实现人机对弈(就是人类玩家走出一步,机器自动响应也走一步,而且走法正确),比较出名的装置包括信息学之父香农制造出的连城机器人。

这里的不同之处在于,科学家借助DNA的特性,利用纯生物化学机制来实现“对手”自动行棋。同时,因为只涉及纯粹的生物学过程,所以纳米机器人每走一步都需要数天的时间。

每条DNA链由骨架和四种称为碱基的分子组成。这些碱基——腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶,缩写为A、T、C和G——可以按任何顺序排列,不同顺序的组合意味着不同的氨基酸分子,或者在当前语境下是纳米机器。

DNA的第二个特性是A,T,C和G碱基具有与其对应物配对的自然趋势。A碱基与T配对,C与G配对。大量碱基组成的DNA链条亦是如此,例如,ATTAGCA与TAATCGT配对。

然而,碱基序列也可以与部分匹配的序列配对。如果将ATTAGCA和TAATACC放在一起,它们的ATTA和TAAT部分像咬合在一起的齿轮,而不匹配的部分就像是没有卡在一起的拉链。两条DNA链彼此越是互补,结合的趋势就越强烈。

之前的纳米机器自组织工艺,就是将DNA链条附着在纳米构件上,互补的DNA链条结合到一起的同时,两块构件也自然地拼接到一起。

最新开发的动态工艺手段,则利用了不完全匹配的DNA链条,每当需要修改既成的结构时,就向结构里添加新的构件——构件上附着的DNA片段具有和周边碱基更高的匹配度。结构中的其他DNA就会选择新来的片段,换句话说,原始结构中的构件会选择与新来的构件组成新的结构。

显而易见的,以上解释只涉及最简单、最理想的情况,实际的操作和设计要复杂得多。

共同作者、博士后Grigory Tikhomirov说:以前的技术,相当于你爆了车胎,而不得不买一辆新车;这是难以接受的事情,所以我们又开发出置换工艺,可以更换和升级工程纳米级机器的多个部件,使其更加高效和复杂。

本文译自 sciencedaily,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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