ChemBioChem:DNA 纳米机器人工程领域的发展历史和最新研究进展

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随着纳米技术的兴起和快速发展,纳米机器人技术已经成为了一种新兴跨学科技术,在化学、材料、生物学和医学等学科的应用中具有巨大潜力。早在1959年,诺贝尔奖得主、理论物理学家理查德-费曼率先提出纳米技术的设想。他提出未来纳米机器人可作为微型“外科医生”,在人体内精准诊断和治疗疾病。近年来DNA 纳米技术的出现为编程构建自动化、智能型的纳米级机器人提供了关键分子材料和工程设计原理。结构 DNA 纳米技术基于DNA 自组装原理,通过合理设计可构建自定义尺寸、形态的复杂二维和三维纳米结构。动态 DNA 纳米技术提供非平衡动力学原则,可实现动态重构和连续的分子操作。二十年来,功能多样的DNA纳米机器人已被开发用于分子货物分拣、疾病诊断、靶向递送药物和细胞行为调控等功能(图1)。 

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图1. DNA纳米机器人技术二十年发展小结

本期介绍由湖南大学化学化工学院聂舟教授和王洪辉副教授团队近期发表的题为《Advances in Designer DNA Nanorobots Enabling Programmable Functions》的综述文章。该文系统介绍了DNA 纳米机器人工程领域的发展历史和最新研究进展。迄今为止,DNA纳米机器人通过单一的响应、多步的响应执行和连续的行走等不同的分子操作,实现生物传感、靶向药物递送和细胞调控功能(图2)。 

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图 2. DNA纳米机器人的程序化操作实现从执行简单到复杂功能的进化

基于其设计原理,DNA纳米机器人可拆解成三个基本功能模块,包括感知器模块(Sensory module)、控制器模块(Controller module)、执行器模块(Actuator module)(图3)。感知器模块包括G-四链体、i-motif和适配体等,实现对不同刺激输入信号的响应,包括pH值、光、金属离子、小分子和蛋白质等。通过替换不同的感知器模块,DNA纳米机器人可选择性响应信号并执行操作。控制器模块通过简单控制或具有复杂逻辑级联 DNA 链取代{attr}3184{/attr}网络,实现可控输出执行指令。进一步,执行器模块接受指令实现按需定制的分子操作行为,包括变构、开关或者连续分子操作。

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图3. DNA 纳米机器人的设计原则和基本功能模块

最后,作者讨论和展望了DNA纳米机器人技术的未来研究方向,提出了其用于临床诊断和治疗实践的可能挑战。DNA纳米技术的快速发展使得DNA纳米机器人完成了从简单到复杂功能的进化,不仅能实现生物传感和靶向药物递送功能,而且能进行自动分子操作行为,实现分子货物分拣、解迷宫、甚至响应性操控细胞。毫无疑问,下一代的DNA纳米机器人将更加智能化和自动化,有望实现编程控制特定的细胞行为,在未来的肿瘤治疗和再生医学等领域将具有广阔应用前景。

文信息

Advances in Designer DNA Nanorobots Enabling Programmable Functions

Meixia Wang, Xiaoxiao Li, Fang He, Juan Li, Hong-Hui Wang, Zhou Nie


ChemBioChem

DOI: 10.1002/cbic.202200119




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