精确瞄准！“纳米机器人战舰”能定位并标注细胞

美国哥伦比亚大学医学院与特种外科医院的研究人员合作，用DNA分子创建了一支细胞“机器人舰队”，这些纳米尺度的“分子机器人”可以对特定的人类细胞进行导向目标追踪并做上标记，以便进行药物治疗或者将其摧毁。发表在2013年7月28日《自然·纳米技术》网络版上的论文对这一系统进行了详细介绍。

按照设计，这些部分附着有抗体的“分子机器人”能够寻找一组特定的人类血细胞，然后在细胞表面贴上荧光标记。“这为利用这种分子来瞄准、治疗或杀死特定细胞，而不影响与之类似的健康细胞提供了可能性。”该研究的资深研究员、哥伦比亚大学医学院医学和生物医学工程副教授米兰·斯托亚诺维奇说，“我们在实验中使用荧光标记作为细胞的标签，但我们可以将其更换成药物或毒素来杀死细胞。”

相比其他科学家设计的向细胞给药的DNA纳米机器人，斯托亚诺维奇的这支“舰队”的优势在于，其能够辨别那些不具有单一鲜明特征的细胞群。

细胞很少拥有一个可使自己与所有其他细胞区分开来的单一的、独特的特征，癌细胞也一样，这使得设计无副作用的药物很难，因为药物中针对癌细胞的特定受体也会锁定拥有相同受体的健康细胞进行攻击。要更精确地瞄准目标细胞，唯一的方法就是基于一系列特征来识别它们。大型的细胞分选机器可以根据细胞表面的多种蛋白质来区分，但到目前为止，分子疗法尚不具备这种能力。

该研究团队没有创建一个单一的复杂分子来识别细胞表面的多种特征，而是使用了一种不同的、可能更容易的方法：将多个分子组装成了一个“机器人”。

为了识别一个拥有3个特定表面蛋白的细胞，研究人员首先为“分子机器人”建造了3个不同的组件，每个组件都包含一条双链DNA，DNA链上附着有抗体，分别针对3个表面蛋白。当将“分子机器人”放入一个细胞群中，其带有抗体的部位就会分别与特定的蛋白绑定，然后协同工作。

只有被所有3个组件锁定的细胞，“分子机器人”才会对其起作用，并用第4个组件启动DNA链的连锁反应：组件彼此之间交换DNA链，直到最后抗体获得带有荧光标记的DNA链。因此，当连锁结束反应时——在人类血细胞样本中不超过15分钟——只有带有这3个表面蛋白细胞才会被做上荧光标记。

“我们已经用血细胞证明了我们的概念，因为血细胞的表面蛋白是众所周知的，但在原则上，我们的分子可以在体内任何部位部署。”斯托亚诺维奇说。此外，该系统可以进行扩展，用以确定4个、5个乃至更多的表面蛋白。

不过，研究人员还必须证明他们的“分子机器人”在活动物体内也能工作，接下来他们将开展老鼠实验。

分子机器人的研究历程

制造分子机器人的最初构想要回溯到1950年。美国著名物理学家理查德·费曼第一次提出，未来可以制造微小机械让其能够实施各种各样的作业。尽管费曼并没有提出分子机器人的具体概念，但是从那以后，制造分子机器人就成为人类梦寐以求的向往。

不过科学技术的发展进程并非轻而易举，不管怎么说，科学家研究的对象——分子，尺寸只有1纳米，把这个尺度上的东西组装起来其难度可想而之，而且科学家组装起来的还必须是“把操作和作业作为目的，能自动运行”的机械。比如科学家就可能制造与病毒做斗争的分子机器人，这些病毒严重威胁着人类健康。科学家可以把这种分子机器人送入人体内，剔除构成病毒的分子，或摘除病毒或对其进行摧毁。也许和“人形”丝毫不沾边，但是分子机器人给人们实至名归的印象。

分子机器人的应用

从前，分子机器人的种类是有限的。从分子机器人能够在生物体内自动生成来设想，其最初的应用似乎应是以医疗等领域为中心。比如针对病毒的分子机器人，也许可以通过研发分子钳予以实现。加工分子钳前端的部件，使它只能与特定的病毒相结合。而且，可以利用分子钳那样的分子机器人，向癌肿部位集中送达药剂等。

随着生物技术水准的迅速进步，这样的生物技术药物可能会很快地代替现有药物，为人类创造更好的福祉，可是这些构建出来的融合蛋白还远远未能表达出人们所企求的结构和功能水准——人工多结构域“蛋白质机器”所应该具有的理想境界，充其量它们只能算作是蛋白质分子机器的一个雏形。现在，正有科学家试图把如此重要的机械在分子尺寸上组装起来，制造一种极其微小的装置，科学家意图使用这种装置来操控别的分子，运用于医学可以用来清除肌体深处的病毒、癌细胞等，它们具有不可限量的应用前景。

目前，不少国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占分子机器人这种新科技的战略高地。《机器人时代》月刊日前指出：分子机器人潜在用途十分广泛，其中特别重要的就是应用于医疗和军事领域。

每一种新科技的出现，似乎都包涵着无限可能。用不了多久，个头只有分子大小的神奇分子机器人将源源不断地进入人类的日常生活。

美研制出可编程的分子机器人

美国研究人员在分子机器人研究方面获得了重大突破。他们对一个由DNA（脱氧核糖核酸）制成的分子机器人进行了编程，让其沿着一个DNA轨道前进、移动、后退、停下。该项技术进步或许可以让科学家最终制造出分子级别的、仿如变形金刚一样可自组装的机器人来完成不同的任务。

美国哥伦比亚大学的米兰·斯多杨诺维克几年前就研制出了分子机器人“蜘蛛侠”（spider），当时科学家已证明它能够随机地在二维表面行走。而现在，斯多杨诺维克领导的团队通过编程，让其能够沿着特定的轨道运动。这一进展的强大之处在于：一旦被编程，机器人就能够自动完成任务，而不需要人为介入。

研究人员表示，分子机器人带来的好处可以与传统机器人相媲美：从理论上来说，可以通过编程让分子机器人感知环境（比如，看细胞中是否出现了疾病的征兆）、作出决定（决定该细胞是否是癌细胞、是否需要中和等）以及实施动作（传送一个杀死癌症的药物）。另外，科学家还可以通过编程让多个3分子机器人组装成复杂的分子产品。