Science子刊封面:用DNA创造生命特征机器人,中科大校友、康奈尔教授力作 2019-04-13




  新智元报道   

来源:techxplore

编辑:元子

【新智元导读】华人工程师利用DNA来创造“栩栩如生”的机器。DNA是所有已知生命的原因,但DNA也是一种聚合物。通过利用分子的独特性质,康奈尔大学的华人工程师们创造了由具有生物特性的生物材料构成的简单机器。他们用DASH(基于DNA的装配和层次的合成)材料,让机器人具备了DNA材料的代谢功能。


作为遗传物质,DNA为所有已知生命负责。然而,DNA也是一种聚合物,通过利用分子的独特性质,康奈尔大学的工程师们使用具备生物特性的生物材料构成了简单机器,并于4月10日在Science Robotics上发表论文《动态DNA材料具有由人工代谢驱动的紧急运动行为》。

使用被他们称为DASH(基于DNA的装配和合成的分层)的材料,康奈尔工程师构建的DNA材料,具有新陈代谢能力、自我组装和组织,这是生命的三个关键特征。


中科大生物系84级,康奈尔农业与生命科学学院生物与环境工程教授Dan Luo解释到:“我们正在推出一种全新的、逼真的材料概念,由自身的人工新陈代谢提供动力。我们不是在制造生命,而是在创造比以往任何时候都更像生命的材料”。


Dan Luo:康奈尔大学农业与生命科学学院,2001年10月任教职,科大生物系84级。

对于任何维持生命的生物体,必须有一个管理变化的系统。必须生成新的细胞; 旧细胞和废物必须被清除。生物合成和生物降解是自我可持续性的关键要素,需要新陈代谢来维持其形式和功能。

通过这个系统,DNA分子被合成、并以分层方式组装成模式,从而可以延续动态、自主的生长和衰变过程。

该生物材料,可以从纳米级构建块中自主地出现并自行排列:首先是聚合物;最后是中尺度形状。从55个核苷酸的基础种子序列开始,DNA分子成倍增加,产生几毫米大小的重复DNA链;然后将反应溶液注入微流体装置中,该装置提供液体能量流和用于生物合成的必要构建块。

随着在材料表面流过,DNA合成了自己的新链,材料的前端生长、尾端降低、优化平衡,通过这种方式不断向前蠕动。这些DNA不断竞争,最终其中一个首先越过终点线。


“这些设计仍然是原始的,但他们展示了一条通过生物分子创造动态机器的新途径。我们迈出了通过人工新陈代谢构建逼真机器人的第一步,”Luo实验室讲师和研究助理、论文的共同作者Shogo Hamada说道。“即使从简单的设计,我们也能够创造出像赛车这样的复杂行为。人工新陈代谢可以开启机器人领域的新领域。”

工程师们正在探索如何让材料识别并自动找出刺激物,例如光线或食物,或者避开有害物。

嵌入DNA材料的程序化代谢是关键创新。DNA含有一套新陈代谢和自主再生的说明,在那之后,由其自生自灭。


“一切都来自于其移动和竞争的能力,所有这些过程都是独立的。没有外部干扰,”Luo说,“生命从几种分子开始数十亿年。这可能是相同的。”

团队创建的材料在到期之前可以持续两个合成和降级周期。 研究人员表示寿命还有延长的可能,因为它可以自我复制更多的“世代”的材料。“最终,该系统可能会导致逼真的自我复制机器,”Hamada说。

Luo认为,最让人兴奋的是DNA的使用为整个系统提供了一种自我进化的可能性!从理论上讲,它可以设计成使后代在几秒钟内出现,以这种超高速度进行的繁殖将利用DNA的自然突变特性,加速进化过程。


将来,该系统可用作生物传感器,以检测任何DNA和RNA的存在。该概念还可用于创建动态模板,用于制造没有活细胞的蛋白质。

工程师正在向技术许可中心申请专利。


参考链接:

https://techxplore.com/news/2019-04-dna-lifelike-machines.html


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