基于DNA的高速滚动电机允许简单的智能手机显微镜通过视频捕捉其运动。荣誉:埃默里大学的化学家将计算机功能集成到基于DNA的滚动马达中，为微型分子机器人开辟了一个新的可能性领域。《自然纳米技术》发表了这一进展，这是第一个将计算能力与燃烧燃料的能力相结合的基于DNA的马达，并朝着有意识的方向移动。“除了让DNA马达执行逻辑计算之外，我们的一项重大创新是找到一种方法，将这些信息转化为简单的输出信号——运动或不运动，”埃默里大学化学博士候选人、论文第一作者塞尔玛·皮拉内说。"任何持有配有廉价放大附件的手机的人都可以读取这个信号."
“Selma的突破消除了阻碍DNA计算机在一系列生物医学应用中变得有用和实用的主要障碍，”论文的高级作者、埃默里大学埃默里化学教授Khalid Salaita说。萨莱塔也是华莱士·h·库尔特生物医学工程系的教员，该系是佐治亚理工学院和埃默里大学的一个联合项目。
这些马达可以感知环境中的化学信息，处理这些信息，然后做出相应的反应，模仿活细胞的一些基本属性。
“以前的DNA计算机没有内置定向运动，”萨莱塔说。“但要获得更复杂的运算，你需要将计算和定向运动结合起来。我们的DNA计算机本质上是具有传感能力的自主机器人，可以决定它们是否移动。”
这些马达可以通过编程来响应特定的病原体或DNA序列，这使它们成为医学测试和诊断的潜在技术。另一个重要的进步是，每个电机可以在不同的程序下独立运行，同时作为一个组进行部署。这为单个大规模微米级电机阵列执行各种任务和进行电机间通信打开了大门。
“DNA马达相互交流的能力朝着产生由成群的蚂蚁或细菌产生的那种复杂的集体行动迈出了一步，”Salaita说。"它甚至会导致突现的特性."
DNA纳米技术利用了DNA碱基A、G、C和T相互配对的天然亲和力。通过移动合成DNA链上的字母序列，科学家可以让这些链以创造不同形状的方式结合在一起，甚至建造功能机器。
生物物理学和纳米技术的领导者Salaita实验室在2015年开发出了第一台基于DNA的滚动马达。该设备比任何其他合成马达快1000倍，快速跟踪分子机器人学的新兴领域。它的高速允许简单的智能手机显微镜通过视频捕捉它的运动。
马达的“底盘”是一个微米大小的玻璃球。数百条DNA链或“腿”被允许绑定到球体上。这些DNA腿被放在涂有反应剂RNA(发动机的燃料)的载玻片上。DNA腿被吸引到RNA上，但是一旦它们踏上RNA，它们就通过与DNA结合的酶的活动来清除RNA，并且只破坏RNA。当这些腿从基底上松开后，它们继续引导球体前进。
当Piranej在2018年加入Salaita实验室时，她开始致力于一个项目，通过建立计算机编程逻辑，将滚动电机提升到一个新的水平。
“利用DNA进行计算是生物医学领域的一个主要目标，”Piranej说。“我喜欢利用我们所有人与生俱来的东西来设计新的技术形式的想法。”
DNA就像一个生物计算机芯片，储存了大量的信息。DNA计算的基本操作单位是合成DNA的短链。研究人员可以通过调整链上AGTC的序列来改变DNA的“程序”。
“与坚硬的硅芯片不同，基于DNA的计算机和马达可以在水和其他液体环境中运行，”Salaita说。“制造硅计算机芯片的一大挑战是试图在越来越小的尺寸中装入更多的数据。DNA提供了在非常小的空间里并行运行许多处理操作的潜力。你可以运行的操作密度甚至可能达到无穷大。”
合成DNA也是生物相容的，而且制造成本低廉。“你可以用酶来复制DNA，想复制多少次就复制多少次，”萨莱塔说。“它实际上是免费的。”
然而，在新生的DNA计算领域，限制仍然存在。一个关键的障碍是使计算的结果易于阅读。目前的技术很大程度上依赖于用荧光分子标记DNA，然后测量不同波长的发光强度。这个过程需要昂贵、笨重的设备。它也限制了电磁波谱中的信号。
尽管Piranej是一名化学家，但他开始学习计算机科学的基础知识，并钻研生物工程文献，试图克服这一障碍。她想出了一个主意，利用生物工程中一个众所周知的反应来进行计算，并将其与滚动马达的运动配对。
这种反应被称为足趾介导的链置换，发生在双链DNA上——两条互补的链。除了一根线松散的一端，即脚趾部分外，其他的线都紧紧地抱在一起。滚动马达可以通过给它涂上与DNA靶互补的双链DNA来编程，DNA靶是感兴趣的序列。当分子马达沿着其RNA轨道滚动时遇到DNA靶，DNA靶结合到双螺旋DNA的趾部，将其剥离，并将马达锚定到位。计算机的读数变成简单的“运动”或“不运动”
“当我在一次实验中第一次看到这个概念工作时，我发出了非常响亮、激动的声音，”Piranej回忆道。“我的一个同事走过来问，‘你还好吗？’没有什么能比得上看到你的想法像那样变成现实。那是一个伟大的时刻。"
“运动”或“不运动”这两个基本的逻辑门可以串在一起，构建更复杂的运算，模仿常规计算机程序如何在“0”或“1”的逻辑门上构建
Piranej通过找到一种方法将许多不同的计算机操作打包在一起，并且仍然容易读取输出，进一步推进了该项目。她只是改变了构成基于DNA的滚动马达底盘的微观球体的大小和材料。例如，球体的直径可以从3到5微米不等，由二氧化硅或聚苯乙烯制成。每一个改变都提供了略微不同的光学特性，可以通过手机显微镜分辨出来。
萨莱塔实验室正在努力与亚特兰大微系统工程护理点技术中心的科学家建立合作关系，该中心由美国国家卫生研究院资助，由埃默里大学和佐治亚理工学院建立。他们正在探索将DNA计算技术用于新冠肺炎氏症和其他疾病生物标志物的家庭诊断的潜力。
“开发用于生物医学应用的设备尤其值得，因为这是一个对人们的生活产生重大影响的机会，”Piranej说。“这个项目的挑战让我觉得更有趣，”她补充道。
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