工程师们利用DNA来创造栩栩如生的机器

作为遗传物质，DNA是所有已知生命的原因。但DNA也是一种聚合物。通过利用分子的独特性质，康奈尔大学的工程师们创造了由具有生物特性的生物材料构成的简单机器。

用他们所谓的DASH(基于DNA的装配和层次的合成)材料，康奈尔大学的工程师构建的DNA材料的功能代谢，除了自组装和组织-生命的三个关键特征。

“我们正在推出一种全新的，逼真的材料概念，由其自身的人工新陈代谢提供动力。我们不是在制作一些活着的东西，但我们正在创造比以往任何时候都更加逼真的材料，”Dan Luo说。农业与生命科学学院生物与环境工程教授。

该论文“动态DNA材料具有由人工代谢驱动的紧急运动行为”，于4月10日在Science Robotics上发表。

对于任何维持生命的生物体，必须有一个管理变化的系统。必须生成新的细胞; 旧的细胞和废物必须被扫除。生物合成和生物降解是自我可持续性的关键要素，需要新陈代谢来维持其形式和功能。

通过这个系统，DNA分子被合成并以分层方式组装成模式，从而产生可以使动态，自主的生长和衰变过程永久化的东西。

使用DASH，康奈尔大学的工程师们创造了一种生物材料，可以从其纳米级构建块中自主地出现并自行排列 - 首先是聚合物，最后是中尺度形状。从55个核苷酸的基础种子序列开始，DNA分子成倍增加数倍，产生几毫米大小的重复DNA链。然后将反应溶液注入微流体装置中，该装置提供液体能量流和用于生物合成的必要构件。

随着流过材料的流动，DNA合成了自己的新链，材料的前端生长，尾端降低，优化平衡。通过这种方式，它以与粘泥模具移动方式类似的方式形成自己的运动，向前蠕动。

机车能力使研究人员能够在竞争激烈的比赛中将各种材料相互对接。由于环境中的随机性，一个身体最终将获得优势，允许一个人首先越过终点线。

“这些设计仍然是原始的，但他们展示了一条通过生物分子创造动态机器的新途径。我们迈出了通过人工新陈代谢构建逼真机器人的第一步，”罗实验室讲师和研究助理Shogo Hamada说道。和论文的共同作者。“即使从简单的设计，我们也能够创造出像赛车这样的复杂行为。人工新陈代谢可以开启机器人领域的新领域。”

工程师们正在探索如何让材料识别刺激物并且能够在光线或食物的情况下自动寻找它，或者如果它有害则避免使用它。

嵌入DNA材料的程序化代谢是关键创新。DNA含有一套新陈代谢和自主再生的说明。在那之后，它是独立的。

“从移动和竞争的能力来看，所有这些过程都是独立的。没有外部干扰，”罗说。“生命从几种分子开始数十亿年。这可能是相同的。”

团队创建的材料在到期之前可以持续两个合成和降级周期。研究人员表示，长寿可能会延长，因为它可以自我复制更多的“世代”材料。“最终，该系统可能会导致逼真的自我复制机器，”Hamada说。

“更令人兴奋的是，DNA的使用为整个系统提供了一种自我进化的可能性，”罗说。“这太棒了。”

从理论上讲，它可以设计成使后代在几秒钟内出现。罗说，以这种超高速度进行的繁殖将利用DNA的自然突变特性，加速进化过程。

将来，该系统可用作生物传感器，以检测任何DNA和RNA的存在。该概念还可用于创建动态模板，用于制造没有活细胞的蛋白质。

技术许可中心正在申请专利。