0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

一种以DNA为原始材料来设计、组装并运行的软机器人新材料

电子工程师 来源:lq 2019-04-26 17:35 次阅读

这是一种以 DNA 为原始材料来设计、组装并运行的软机器人新材料,它可以用自身新陈代谢来驱动,它也可以应用于生物检测,并且有望做成便携式的检测装置。

这是一项材料学的突破。这项研究来自美国康奈尔大学生物工程和环境工程系教授罗丹的实验室,论文发表在《科学·机器人学》杂志(Science Robotics )。他接受了 DeepTech 的独家专访,详细介绍了此项研究的来龙去脉以及应用前景。

图丨该图显示,从 DNA 双螺旋分子开始逐级有层次组装,最后形成宏观的有结构的类生命材料;在人工新陈代谢驱动下,可以自主逆流而上。(来源:SCIENCE ROBOTICS)

众所周知,DNA 是生物遗传材料,然而 DNA 也能作为纳米级别的建筑材料,罗丹实验室近二十年前就率先合成了树枝状 DNA,并将其引入分子检测,实现了 DNA 的纳米条形码;它还可以和抗体链接,形成 DNA-抗体杂化分子,后者有望在高通量核酸检测和靶向治疗方面广泛应用。

同时,罗丹实验室创造出宏量的 DNA 水凝胶,可以广泛应用于药物传递和细胞三维培养,如今已经利用 DNA 水凝胶制造出蛋白质,能够实现在无细胞系统生产大量的活性蛋白质,包括那些活细胞无法生产的蛋白质,这为药物筛选和蛋白制药提供了一条崭新的途径。另外,罗丹实验室还设计研发出一种自然界不存在的超材料,DNA 超胶,后者具有既是固体又是液体的特征,其动物实验显示,DNA 超胶能激发小鼠的天然免疫机制从而抑制小鼠的肿瘤生长。

这次 DNA 软机器人材料正是在上述研究基础上做出的。

此次罗丹团队提出了一种全新的概念:类生命材料,将人工新陈代谢赋予给 DNA 水凝胶。

虽然这种“类生命材料”是第一次实现,还处于雏形阶段,但已经能够自发形成有层次、有组织的形状,并能自主地逆流运动,甚至和另外的“类生命材料”赛跑。

这种“软机器人”材料可以从 55 个核苷酸碱基的 DNA 分子增殖形成几毫米长的 DNA 水凝胶,这种胶体通过首端生长、尾端降解获得动力,从微流系统中获得“营养”,实现“人工新陈代谢”从而自主运动。

罗丹表示,期望“类生命材料”的诞生能够开拓一个新领域,并在生物医学上实现其它材料难以企及的应用。

图丨 DNA 软机器人的原理。(来源:SCIENCE ROBOTICS)

问:罗教授,你们为何选择 DNA 材料作为研究课题呢,可否介绍一下这次研究的背景?

我选择这个领域已经 20 年了。我在康乃尔大学化工系做博士后的课题之一是用多聚物材料做药物递送载体,就是用多聚物来递送 DNA 药物。后来自己留校独立以后,马上就想到 DNA 本身就是多聚物,我为什么要用其他多聚物来递送 DNA 呢?能不能把 DNA 当作多聚物来用呢?

其实多聚物有一个非常重要的特点,就是其拓扑结构。如果要想把 DNA 当作多聚物的话,我必须创造不同的 DNA 拓扑结构。而我博士论文研究课题之一正好是 DNA 拓朴异构酶,所以结合这些基础,我自己实验室的第一篇论文就是关于发明树枝状拓扑结构的 DNA 材料,发表在《自然·材料学》杂志(Nature Material)。

做完这个研究以后我发现,有很多酶可以去作用 DNA。比如,只要你把 DNA 多聚物做成黏性末端回文结构,它就可以自己连接起来,那么连起来的 DNA 分子在水溶液里就是一种胶。于是我们完成了世界上第一个完全用 DNA 做成的水凝胶。

进而,我们认为可以把基因给放到 DNA 水凝胶的骨架上,这样基因就不会扩散出去,所以在中心法则(注:遗传信息从 DNA 传递给 RNA,再从 RNA 传递给蛋白质,即完成遗传信息的转录和翻译的过程)下,你就可以在无细胞系统中生产出蛋白,也就是说可以只用 DNA 水凝胶来生成蛋白质,而不用活细胞。要知道,很多蛋白对细胞实际上是有毒性的,并且细胞不会让某一种蛋白过量生产,而用 DNA 水凝胶的无细胞系统来生产蛋白质就不会有这样的限制。

于是这个无细胞系统就成为了一个非常有应用前景的项目。后来我们还做了一种超材料(Metamaterials), 超胶,既是固体又是液体的胶,它可以激发天然免疫系统,做成抗肿瘤药物。

DNA 软机器人材料这个课题有些歪打正着。我们当时想做的是生物检测芯片,就是说血液或尿液流过的时候,芯片接触到有病原菌的 DNA 就会发不同的光,这样的话在显微镜下检测有什么光,就会知道有哪些感染。

但是我们在此研究过程中,我们突然发现DNA 在这个微流系统中像渔网一般缠绕起来,这些缠绕的 DNA 可以形成不同的图案。然后我们就想到要把 DNA 材料做成类生命,是什么意思呢?就是让它有人工新陈代谢。

生命还有一个特征就是从细胞到组织,再到器官、系统,它有一个层次组装的结构。DNA 也是从核苷酸到 DNA 长链,然后组成染色体,所以材料本身要有组装,自主形成层级结构。

人工新陈代谢需要有调控的合成和降解。DNA 合成和降解很容易实现,现在关键就是你怎么把它们有机调控起来,尤其是要有反应时间和反应空间的控制,就像城市的自来水管或者高速公路,我们尝试将其设计成一种有反馈有调控的结构。

这样 DNA 在前方合成、后面降解,可以用最基础的流体力学的计算机模拟,所以我们就设计了这种很微小的管道系统,把合成速度加快,降解的速度稍微慢一点,它整个结构就开始自动往前走。如果你合成的速度和降低速度都一样的话,那就停留在原地了。

正好我的一个博士后是系统工程的博士,做过机器人研究,所以就很容易和软机器人联系起来了。

问:DNA 软机器人应用前景是我们很关心的一个问题。

比如生物检测。DNA 软机器人系统不同于荧光检测,不需要定量检测(当然将来也可以做到定量检测),只需要看到有目标渔网结构出现,肉眼或智能手机就可以识别,那么就是检测出目标 DNA 了。

这个检测系统的优势是便捷,是便携式的检测装置,你可以像血糖仪一样随时随地使用。我们正在实现用智能手机来检测。

这个系统也可以用于生产蛋白质,也就是在时空控制下进行无细胞蛋白质生产。这是一个更加高效的蛋白质生产系统,因为如果用传统的细胞,首先需要培养细胞,而且每个细胞自己要生产数万种蛋白质,你要的蛋白不可能被大量生产;而我们的无细胞系统就只生产一种我们要的蛋白,这就让系统的所有能量都只用于生产这种蛋白,能量被高效地利用了。我们现在已经生产出 60 多种蛋白,而且都有活性。

问:如何理解这个 DNA 软机器人系统的进化属性?

我们希望这种材料可以进化。如果这个材料有人工新陈代谢,又可以自我复制,那么它进化的可能性就存在了。同时因为你可以勘错,可以设计,还可以控制代时(每代的时间),这种人工进化就值得进一步去探索。

问:你们在这个领域有商业化尝试了吗?

现在还没有。这是世界上首次实现类生命材料,属于最早期的研究,需要进一步地开拓。我们正在申请最基础的专利,至于以后商业用途,就得看它从哪个方向发展出来。我曾经长期担任康奈尔大学的技术转移顾问委员会委员,对产业化技术转移还是比较熟悉的。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • DNA
    DNA
    +关注

    关注

    0

    文章

    243

    浏览量

    31030
  • 软机器人
    +关注

    关注

    0

    文章

    26

    浏览量

    7053

原文标题:材料学的突破:“类生命材料”首次实现!DNA软机器人以新陈代谢驱动 | 独家专访

文章出处:【微信号:deeptechchina,微信公众号:deeptechchina】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    开源项目!用ESP32做个可爱的无用机器人

    、固件烧录等。 注意事项 制作这个机器人材料成本比较高,接近台全新笔记本电脑的价格。此外,如果没有焊接经验,整体成本可能更高,因为还需要涉及到PCB组装。 完成 完成后,
    发表于 08-30 14:50

    开源项目!用ESP32做个可爱的无用机器人

    、固件烧录等。 注意事项 制作这个机器人材料成本比较高,接近台全新笔记本电脑的价格。此外,如果没有焊接经验,整体成本可能更高,因为还需要涉及到PCB组装。 完成 完成后,
    发表于 09-03 09:34

    环保纳米新材料

    。公司主要投资带领的科研工作组从事新材料、纳米技术的研究已有十几年的时间,并在纳米基础材料的研究中取得了系列的成果。研制开发了几项在国内外领先的产品技术,具有完全自主知识产权。现已
    发表于 11-12 09:57

    中国传动网:小i机器人现身洽会,智能机器人来了!

    ,“小i机器人在从单智能机器人产品转移到多种交互模式、多渠道、知识库构建和管理、数据挖掘和分析等综合应用的解决方案上,已经走在了世界的前列。” 如今,在
    发表于 04-22 16:10

    机器人组装图解

    机器人般是许多舵机组装而成的,加上传感器,还有控制电路,希望能够对大家有所帮助
    发表于 05-27 10:52

    【mBot试用体验】开箱组装mBot机器人-Adam

    需要用六角扳手,很赞的点就是mBot机器人套件里提供了这两工具,而且是用把螺丝刀的两端,非常方便好用,如图6.图6 螺丝刀其他的部分完全按照说明书
    发表于 12-05 23:49

    机器人常用材料

    ,所以在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。6)粘弹性大阻尼材料增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法用来
    发表于 09-04 09:21

    智能人形机器人散热垫、emi屏蔽、泡棉材料的应用

    `深圳智能人形机器人知名品牌指定合作供应商,专业提供AI智能机器人结构器件散热、导电屏蔽材料、缓冲减震泡棉、粘接固定双面胶材料的整体解决方案,产品工程联系:159-8987-5611导
    发表于 08-30 14:48

    协作型机器人的应用类型

    是将安全性和安全性问题进行合并,就像设计同时考虑这两个方面的工业设施,下图是协作型机器人的几种应用类型。  协作机器人网络物理系统是一种智能系统,其中集成了计算和物理系统,控制和感知
    发表于 12-01 14:24

    怎样去制作一种写字机器人

    写字机器人制作教程 midt-bot前言材料清单模型拼装下位机上位机总结前言看上了稚晖君的X-bot项目,瞬间被这个小巧精致的机器人所吸引,所以决定复刻个出来。but,虽然开源了,但
    发表于 09-01 07:57

    机器人是什么?

    一种可能的情况预先确定的。就像我们有传感器(眼睛、鼻子和耳朵) ,我们根据我们的学习收到的信息做出决定。同样,这些机器人从我们的编程中学习,根据安装在它们身上的传感器做出决定。受控机器人
    发表于 03-31 10:31

    设计一种可用于大学和学校教授机器人技术的机器人

    (yaw-roll-roll-yaw-roll-yaw)与市面上大部分机械手机器人使用的相同。在伸展位置,Thor 高约 625 毫米,可以举起高达 750 克的负载。该项目的主要目的是设计一种可用
    发表于 07-25 07:04

    一种结合壁虎刚毛粘附材料和尺蠖运动形式的仿生粘附式尺蠖机器人

    本文针对未来空间寄生武器发展的需要,提出了一种结合壁虎刚毛粘附材料和尺蠖运动形式的仿生粘附尺蠖机器人。本文首先对仿生粘附式尺蠖机器人的机构、电气系统和控制策略进行总体设计,
    发表于 01-29 15:56 0次下载
    <b class='flag-5'>一种</b>结合壁虎刚毛粘附<b class='flag-5'>材料</b>和尺蠖运动形式的仿生粘附式尺蠖<b class='flag-5'>机器人</b>

    组装DNA纳米材料结构与功能的研究

    DNA纳米材料DNA通过碱基互补配对自组装形成的DNA纳米结构。随着对DNA热动力学的认知,我
    发表于 02-11 10:02 0次下载

    一种适用于柔性机器人的新型金属材料

    “折纸机器人”是最先进的,柔性机器人,已经过测试,可用于各种应用,包括人体药物输送,灾难环境中的搜索和救援任务以及类人机器人手臂。
    发表于 04-28 15:58 2592次阅读