群分子机器人自动组装和拆卸的荧光显微镜图像。来源:Shin Nomura et al

日本东北大学和京都大学的研究人员成功开发了一种基于dna的分子控制器，可以自主指导分子机器人的组装和拆卸。这项开创性的技术标志着先进的自主分子系统在医学和纳米技术方面的潜在应用迈出了重要的一步。

这一突破的细节发表在2024年5月31日的《科学进展》杂志上。

“我们新开发的分子控制器，由人工设计的DNA分子和酶组成，与分子机器人共存，并通过输出特定的DNA分子来控制它们，”日本东北大学工程研究生院副教授、该研究的合著者Shin-ichiro M. Nomura指出。

“这使得分子机器人可以自动组装和拆卸，而不需要外部操作。”

这种自主操作是一项至关重要的进步，因为它使分子机器人能够在外部信号无法到达的环境中执行任务。

除了野村，研究小组还包括Ibuki Kawamata(京都大学科学研究生院副教授)，Kohei Nishiyama(美因茨约翰内斯古腾堡大学研究生)和Akira Kakugo(京都大学科学研究生院教授)。

分子机器人的研究备受关注，其目的是通过体内和体外的功能来帮助疾病的治疗和诊断。

Kakugo和同事们之前的研究已经开发出了可以单独移动的群体型分子机器人。这些机器人可以通过外部操纵作为一个整体进行组装和拆卸。但由于构建的分子控制器，机器人可以根据编程的顺序自组装和拆卸。

分子控制器通过输出一个相当于“组装”命令的特定DNA信号来启动这个过程。在相同的溶液中，微管被DNA修饰，由分子马达驱动，接收DNA信号，调整它们的运动方向，并自动组装成一个束状结构。随后，控制器输出“拆卸”信号，使微管束自动拆卸。

这种动态变化是通过分子电路的精确控制实现的，分子电路的功能就像一个高度复杂的信号处理器。此外，分子控制器与分子机器人共存，消除了外部操作的需要。

推进这一技术有望促进更复杂和先进的自主分子系统的发展。

因此，分子机器人可能会根据命令进行组装，然后分散去探索目标，从而完成无法单独完成的任务。此外，本研究通过整合不同的分子群，如DNA电路系统和运动蛋白操作系统，扩展了分子机器人的活动条件。

为分子机器人的装配和拆卸输出信号的分子控制器示意图。来源:Shin Nomura et al

野村补充说:“通过开发分子控制器，并将其与日益复杂和精确的DNA电路、分子信息扩增设备和生物分子设计技术相结合，我们希望群体分子机器人能够自动处理更多样化的生物分子信息。”

“这一进步可能会导致纳米技术和医疗领域的创新技术的实现，例如用于原位分子识别和诊断的纳米机器或智能药物输送系统。”