埃默里大学卡罗尔·克拉克 埃默里大学化学教授、该文章的合著者哈立德·萨莱塔(右)和萨莱塔实验室的研究生艾伦·布兰查德(左)说，脱氧核糖核酸机械技术扩大了生物医学和材料科学研究的机会
学分:埃默里大学 正如蒸汽机为工业革命奠定了基础，微型晶体管引发了数字时代，由脱氧核糖核酸制成的纳米设备正在生物医学研究和材料科学领域开创一个新时代
《科学》杂志在埃默里大学化学教授哈利德·萨莱塔和华莱士研究所研究生亚伦·布兰查德的一篇“透视”文章中描述了脱氧核糖核酸机械装置的新用途
库尔特生物医学工程系，佐治亚理工学院和埃默里大学的联合项目
这篇文章预示了一个新的领域，布兰查德称之为“脱氧核糖核酸机械技术”，来设计脱氧核糖核酸机器，在纳米尺度上产生、传递和感知机械力
“很长一段时间以来，”萨莱塔说，“科学家们一直擅长制造微型装置，比人类头发的宽度小几百倍
制造功能性纳米器件更具挑战性，比这小几千倍
但是使用脱氧核糖核酸作为组成部分使得制造极其复杂的纳米设备成为可能，因为脱氧核糖核酸部分是自组装的
" 脱氧核糖核酸以由四种化学碱基组成的代码的形式储存和传递遗传信息:腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶
脱氧核糖核酸碱基有一种天然的亲和力，可以相互配对——甲对丁，丙对庚
合成的DNA链可以与来自噬菌体的天然DNA链结合
通过移动链上的字母序列，研究人员可以让DNA链以创造不同形状的方式结合在一起
脱氧核糖核酸链的硬度也可以很容易地调整，所以它们可以像一块干面条一样保持直，或者像煮面条一样弯曲盘绕
使用脱氧核糖核酸作为建筑材料的想法可以追溯到20世纪80年代，当时生物化学家纳德里安·西曼开创了脱氧核糖核酸纳米技术
这个领域使用多股脱氧核糖核酸来制造纳米级的功能器件
制作这些精确的三维结构的能力最初是一种新奇的事物，昵称为“脱氧核糖核酸折纸术”，由此产生了微观世界地图等物体，以及最近在脱氧核糖核酸板上玩的有史以来最小的井字游戏
对新奇物体的研究继续为脱氧核糖核酸的机械特性提供新的见解
这些见解推动了制造产生、传递和感知机械力的脱氧核糖核酸机器的能力
“如果你把机械设备的这三个主要部件放在一起，你就开始得到锤子、齿轮和轮子，你就可以开始制造纳米机器，”萨拉塔说
“脱氧核糖核酸机械技术扩大了涉及生物医学和材料科学的研究机会
这就像发现了一块新大陆，开拓了新的探索领域
" 这种装置的潜在用途包括纳米胶囊形式的药物输送装置，当它们到达目标位置时打开，纳米计算机和纳米机器人在纳米装配线上工作
基因组学工业在生物医学研究和诊断中使用的脱氧核糖核酸自组装进一步推动了脱氧核糖核酸机械技术，使脱氧核糖核酸合成变得廉价和容易获得
“潜在的任何人都可以想象出一个纳米机器的设计，并把它变成现实，”萨拉塔说
他举了一个制造纳米剪刀的例子
“你知道你需要两个刚性杆，它们需要通过一个枢轴机构连接起来，”他说
“通过修补一些开源软件，你可以创建这个设计，然后进入电脑，下订单定制合成你的设计
你会收到你的订单
你只需将试管内容物放入溶液中，让你的设备自行组装，然后用显微镜观察它是否如你所想的那样工作
" 萨拉塔的实验室是世界上仅有的100个致力于DNA机械技术前沿的实验室之一
他和布兰查德开发了世界上最强的合成脱氧核糖核酸马达，最近在《纳米快报》上有报道
萨拉塔研究的一个关键焦点是绘制和测量细胞如何推拉，以了解更多与人类免疫系统有关的机械力
萨拉塔开发了第一个细胞DNA力测量仪，提供了一个分子在活细胞整个表面上施加给另一个分子的机械力的第一个详细视图
绘制这些力的图谱可能有助于诊断和治疗与细胞力学相关的疾病
例如，癌细胞的移动方式与正常细胞不同，这种差异是疾病的原因还是结果尚不清楚
2016年，萨莱塔使用这些DNA测力仪为免疫系统的保安——T细胞的机械力提供了第一个直接证据
他的实验室展示了T细胞如何使用一种机械“握手”或拖拉来测试他们遇到的细胞是朋友还是敌人
这些机械牵引是T细胞决定是否进行免疫反应的核心
“你的血液中含有数百万种不同类型的T细胞，每一种T细胞都是为了检测某种病原体或外来物质而进化而来的，”萨拉塔解释道
“T细胞利用这些机械牵引不断地对你全身的细胞进行取样
它们结合并吸引细胞表面的蛋白质，如果这种结合很强，这就是T细胞发现了外来物质的信号
" 萨拉塔的实验室建立在这一发现的基础上，最近发表在《国家科学院院刊》(PNAS)上
埃默里大学化学研究生马融领导的工作改进了DNA测力计的灵敏度
他们不仅能探测到这些机械拉力，其力非常小，几乎是一个曲别针重量的十亿分之一，他们还能捕捉到瞬间的拉力证据
这项研究对免疫系统中的机械力提供了一个前所未有的视角
“我们表明，除了被进化来检测某些外来物剂，T细胞还会对非常接近的外来物剂进行非常短暂的机械牵引，”萨拉塔说
“拔河的频率和持续时间取决于外源因子与T细胞受体的匹配程度
" 这个结果提供了一个工具来预测一个T细胞会产生多强的免疫反应
“我们希望这一工具最终可以用于微调个体癌症患者的免疫疗法，”萨拉塔说
“它可能有助于设计T细胞去追踪特定的癌细胞
"
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