DNA在行走

　　深藏在纽约城中，一个繁忙的化学实验室里，一只纺锤形的蜘蛛爬过一堆折纸。这些折纸可不是用普通彩纸折出的艺术品，它们由精心设计的DNA片段所制成。说到这里，就要解释一下“纳米蜘蛛”了。

　　这种蜘蛛不是用来织网或吃虫的，它是DNA纳米机器人的原型，也许某一天这种机器能完成人类所不能完成的细微任务。

　　十年以来，纳米机器人已从细小的镊子型机器发展到用两条“腿”向左或右迈步的“行走者”。科学家们一直在研制DNA纳米机器人，最近的研究更前进了一步，其目标是将DNA分子自己组织起来移动，在这些纳米机器中既没有电池，也没有信息存储设备，它们利用的是天然DNA与DNA之间相互作用的动力，DNA可以被设计成折纸基础。

　　哈佛大学的生物化学家威廉·施（William  Shih  ）说，“现在，分子行为设计正在出现爆炸性发展。正像电器已从计算机进化到iPhone4一样，我们也将看到这些东西进化成可以感知其周围环境，不会伤害健康细胞，并能瞄准疾病组织的精密微型车。”

　　最新的蜘蛛纳米机器人有三条到四条腿，它们沿着宽阔、精致折叠的DNA道路行走。某些分子机械人已经能自行走出50步，还有的微型运动机械臂能拾起或携带纳米粒子。

　　当然，眼下的DNA蜘蛛还不能很快统治世界，在这一点上，它们很像蹒跚学步的幼儿，在研究人员设计出让其行走的基础时，它们正实验性地在其分子疆界上摸索前进。但是某一天，纳米机器人军团可能会在最精密的实验室设备都无法胜任的很小尺度上作业。“蜘蛛”可能会寻找并摧毁人体内的癌症，甚至还可能会组装医学器械，或组建比你iPhone上字母“i”的小点儿还要小很多的微型计算机。

　　威斯康星大学麦迪逊分校的化学家劳埃德·史密斯（Lloyd  Smith）说：“我们正在推进可能将DNA作为一种工作材料的技术系统，因为比起任何其他材料，我们更能理解、控制和指挥DNA。”

　　内置编程

　　要让DNA自行移动并非易事。一般情况下，细胞中DNA是以双螺旋的形式存在于细胞之中的，这是所有生命材料的蓝图。它很稳定，化学性质不活泼，只有在制造其他分子，如蛋白质或自我复制时双螺旋才会解开。

　　但是近年来，科学家已经知道到如何利用DNA自己的密码来让它行动起来。

　　DNA的链是由四种化学构件——碱基组成的，分别简写为A、T、G和C（A腺嘌呤、T胸腺嘧啶、G鸟嘌呤、C胞嘧啶）。在常规的DNA链中，这四种字母拼写的编码是用来组建蛋白质的，而在纳米蜘蛛，这些字母是其推进力的基础。

　　每一条蜘蛛腿都由专门设计碱基序列的单链DNA所组成，正像常规DNA一样，一个链上的A刚好与另一个链上的T形状相配，C和G刚好配对，通过一个个与正确的配对结合，纳米机器人的腿就可粘到附近的单链DNA上。

　　现在就说到了DNA折纸表面。这一技术是2006年由加州理工学院的合成分子生物学家保罗·罗斯蒙德（Paul  Rothemund）发明的。他将单链DNA来回折叠，直到它们充满到复杂的纳米三角形、星星和笑脸的二维形状中。然后，他又设计了更小的“短链”，这种短链能与附近的DNA配对折叠连接，并在适当位置组成形状，只需将单链的DNA片段在溶液中混合就可以让其自行组装成各种形状。

　　罗斯蒙德的自组装DNA折纸技术产生了一个DNA蜘蛛的理想行走轨道，这使得科学家可以在一个更大的、2D表面对纳米蜘蛛的运动编辑指令。这样一来，蜘蛛便无需随身携带任何信息。

　　在DNA折纸上，选择短链再用额外的DNA积木延长就形成了蜘蛛的爬行轨道。这些单链还可以用来在平面上添加第三个维度，就像海底的海草一样，可从折纸向上粘。由于DNA碱基序列与蜘蛛腿上的碱基配对结合，短链就将蜘蛛拉到了表面，形成了一条行走的路径。

　　这一部分并不困难，难的是将纳米机器人的一条腿抬起来向前迈到下一个DNA链上。

　　小路漫步

　　一个解决办法是使用蜘蛛腿上的DNA酶来切开短链，打开链并将腿拔出，使得纳米机器人得以移动到附近一个依然完好的链上。

　　哥伦比亚大学的化学家米兰·史杜真奴维克（Milan  Stojanovic）利用这种切割技术获得了能够自我行走的三条腿DNA蜘蛛。它们能够向上走50步，而且不会在轨道上绊倒。他和同事在2010年5月13日的《自然》杂志上报道了其研究成果。

　　过去的一个问题是，两条腿的纳米机器人行走中有时候会同时提起两条腿，这样就会飘离到轨道之外。而三条腿的蜘蛛则获得了更好的机会，它们至少有一条腿一直处在轨道表面。史杜真奴维克说：“蜘蛛的腿越多，粘性越好，它们能走的步也就越多。”

　　这种蜘蛛有一个作用像锚的额外附肢，能够只与折纸上的“启始”链结合。当研究人员加入一个DNA片段，就移开了蜘蛛的这个锚，于是蜘蛛开始沿着轨道上的其他链爬行。

　　由于蜘蛛一边爬行一边切断DNA链，它身后的DNA