隨著納米技術(shù)的興起和快速發(fā)展，納米機器人技術(shù)已經(jīng)成為了一種新興跨學科技術(shù)，在化學、材料、生物學和醫(yī)學等學科的應用中具有巨大潛力。早在1959年，諾貝爾獎得主、理論物理學家理查德-費曼率先提出納米技術(shù)的設(shè)想。他提出未來納米機器人可作為微型“外科醫(yī)生”，在人體內(nèi)精準診斷和治療疾病。近年來DNA 納米技術(shù)的出現(xiàn)為編程構(gòu)建自動化、智能型的納米級機器人提供了關(guān)鍵分子材料和工程設(shè)計原理。結(jié)構(gòu) DNA 納米技術(shù)基于DNA 自組裝原理，通過合理設(shè)計可構(gòu)建自定義尺寸、形態(tài)的復雜二維和三維納米結(jié)構(gòu)。動態(tài) DNA 納米技術(shù)提供非平衡動力學原則，可實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)和連續(xù)的分子操作。二十年來，功能多樣的DNA納米機器人已被開發(fā)用于分子貨物分揀、疾病診斷、靶向遞送藥物和細胞行為調(diào)控等功能（圖1）。
圖1. DNA納米機器人技術(shù)二十年發(fā)展小結(jié) 本期介紹由湖南大學化學化工學院聶舟教授和王洪輝副教授團隊近期發(fā)表的題為《Advances in Designer DNA Nanorobots Enabling Programmable Functions》的綜述文章。該文系統(tǒng)介紹了DNA 納米機器人工程領(lǐng)域的發(fā)展歷史和最新研究進展。迄今為止，DNA納米機器人通過單一的響應、多步的響應執(zhí)行和連續(xù)的行走等不同的分子操作，實現(xiàn)生物傳感、靶向藥物遞送和細胞調(diào)控功能（圖2）。 圖 2. DNA納米機器人的程序化操作實現(xiàn)從執(zhí)行簡單到復雜功能的進化 基于其設(shè)計原理，DNA納米機器人可拆解成三個基本功能模塊，包括感知器模塊（Sensory module）、控制器模塊（Controller module）、執(zhí)行器模塊（Actuator module）（圖3）。感知器模塊包括G-四鏈體、i-motif和適配體等，實現(xiàn)對不同刺激輸入信號的響應，包括pH值、光、金屬離子、小分子和蛋白質(zhì)等。通過替換不同的感知器模塊，DNA納米機器人可選擇性響應信號并執(zhí)行操作?？刂破髂K通過簡單控制或具有復雜邏輯級聯(lián) DNA 鏈取代反應網(wǎng)絡，實現(xiàn)可控輸出執(zhí)行指令。進一步，執(zhí)行器模塊接受指令實現(xiàn)按需定制的分子操作行為，包括變構(gòu)、開關(guān)或者連續(xù)分子操作。 圖3. DNA 納米機器人的設(shè)計原則和基本功能模塊 最后，作者討論和展望了DNA納米機器人技術(shù)的未來研究方向，提出了其用于臨床診斷和治療實踐的可能挑戰(zhàn)。DNA納米技術(shù)的快速發(fā)展使得DNA納米機器人完成了從簡單到復雜功能的進化，不僅能實現(xiàn)生物傳感和靶向藥物遞送功能，而且能進行自動分子操作行為，實現(xiàn)分子貨物分揀、解迷宮、甚至響應性操控細胞。毫無疑問，下一代的DNA納米機器人將更加智能化和自動化，有望實現(xiàn)編程控制特定的細胞行為，在未來的腫瘤治療和再生醫(yī)學等領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊應用前景。 論文信息 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
