完全由DNA構建的“納米機器人”能幫科學家打工了

用DNA構建一個微型機器人，并用它來研究肉眼看不見的細胞過程……如果你認為這是科幻小說，那是情有可原的，但事實上這是一個嚴肅研究的主題。這種高度創新的“納米機器人”應該能夠更深入地研究微觀層面上施加的機械力，這對許多生物和病理過程至關重要。我們的細胞受到施加在微觀尺度上的機械力的影響，觸發生物信號，這對我們身體的正常功能或疾病發展的許多細胞過程都至關重要。

例如，觸覺部分取決于對特定細胞受體施加的機械力(這一發現今年獲得了諾貝爾生理學或醫學獎)。除了觸覺之外，這些對機械力敏感的感受器(機械感受器)還能調節其他關鍵的生物過程，如血管收縮、疼痛感知、呼吸甚至耳中聲波的檢測等。這種細胞機械敏感性的功能障礙與許多疾病有關——例如，癌癥:癌細胞通過探測和不斷適應其微環境的機械特性在體內遷移。這種適應是可能的，因為特定的力是由機械受體檢測到的，傳遞信息到細胞骨架。

目前，我們對這些涉及細胞機械敏感性的分子機制的了解仍然非常有限。已經有一些技術可以應用于控制力和研究這些機制，但它們有一些限制。特別是，它們非常昂貴，而且不允許我們同時研究幾個細胞受體，如果我們想要收集大量數據，這使得它們的使用非常耗時。

DNA折紙結構

為了提出替代方案，結構生物學中心(Inserm/CNRS/Université de蒙彼利埃)Inserm研究員Bellot等人的研究團隊決定使用DNA折紙方法。這使得3D納米結構能夠以預先定義的形式自組裝，使用DNA分子作為建筑材料。在過去的十年中，這項技術使納米技術領域取得了重大進展。

這使得研究人員能夠設計出由三種DNA折紙結構組成的“納米機器人”。納米大小，因此可以與人體細胞的大小相匹配。這使得第一次應用和控制分辨率為1皮牛頓的力成為可能，即1萬億分之一牛頓——1牛頓相當于手指點擊一支筆的力。這是人類制造的、基于DNA的自組裝物體首次能夠以這種精度施加力。該團隊首先將機器人與一種能識別機械感受器的分子結合起來。這使得我們能夠將機器人引導到我們的一些細胞，并特別地對定位在細胞表面的機械受體施加力，以便激活它們。

這一工具對于基礎研究非常有價值，因為它可以用來更好地理解細胞機械敏感性的分子機制，并發現新的細胞受體對機械力敏感。多虧了機器人，科學家們還將能夠更精確地研究在施力的什么時刻，許多生物和病理過程的關鍵信號通路在細胞水平上被激活。

Bellot說:“設計一種能在體外和體內應用皮紐頓力的機器人，符合科學界日益增長的需求，代表一項重大的技術進步。然而，機器人的生物相容性可以被認為既是在體內應用的優勢，但也可能代表了對酶的敏感性，可以降解DNA的弱點。所以我們的下一步將是研究如何修改機器人的表面，使其對酶的作用不那么敏感。我們還將嘗試尋找其他激活機器人的方式，比如磁場。”

A. Mills, N. Aissaoui, D. Maurel, J. Elezgaray, F. Morvan, J. J. Vasseur, E. Margeat, R. B. Quast, J. Lai Kee-Him, N. Saint, C. Benistant, A. Nord, F. Pedaci, G. Bellot. A modular spring-loaded actuator for mechanical activation of membrane proteins. Nature Communications, 2022; 13 (1)