說到機器人，咱們的第一印象是啥？是否可以像無線電控制器一樣遠距離操作？還是您最近在商店中經(jīng)?？吹降念愃迫诵稳斯ぶ悄埽ˋI）的機器人？這些是相對較大的機器，但人們也正在研究制造較小的“分子機器人”，這些機器人可以在體內發(fā)揮積極作用，并治療困難的疾病。
北海道大學大學院理學研究科副研究員明晃明（Akira Kakugo）創(chuàng)造了一種“分子機器人”，該分子機器人裝配了“化學零件”，也就是分子，代替了過去的機械機器人。他正在繼續(xù)他的研究，目的是在體內執(zhí)行任務。研究結果令人振奮，人類成功地制造出了世界上最小的分子機器人。
機器人零件
移動機器人需要三個要素。為機器人提供能源的驅動系統(tǒng)，發(fā)出命令的智控系統(tǒng)，以及感知命令的傳感器。
由角鄉(xiāng)先生和其他人創(chuàng)造的移動小分子機器人的“驅動系統(tǒng)”部分是“ Kineshin”和“ Micro”，Kineshin具有在人體中攜帶物質的作用，Kineshin具有在體內攜帶物質的作用。它是通過關注稱為“試管”的蛋白質的組合而制成的。
驅動蛋白具有“運動”的特性，也被稱為“運動蛋白”。能源是運動蛋白引起這項研究關注的原因。運動蛋白使用ATP作為能源。由于ATP也是生物體的能源，因此它在人體中含量很高。由于能量源是生物體內的物質，因此在考慮執(zhí)行諸如治療生物體內疾病的任務時，無需擔心能量供應。這是一個很大的優(yōu)勢。
Kakugo看到第一部“將ATP用作能源的分子機器人”的視頻四處走動時十分激動。他能夠取得這樣的成就，是閱讀了大量生物技術相關的論文和參考書，并且經(jīng)歷了無數(shù)次試驗和錯誤，他說：“我只是在學生時代就開始進行這項研究”。
在“智控系統(tǒng)”中使用了DNA，將“如何移動”命令傳達給運動蛋白。據(jù)說，方法是由關西大學現(xiàn)任化學與生物技術學院的Akinori Kuzuya教授在一次演講中給出的，他正在進行有關合成DNA本身和控制DNA行為的研究。
DNA是負責生物體內遺傳信息的存儲和傳輸?shù)奈镔|。一組由大量分子組成的兩條鏈，稱為四種類型的堿基：胸腺嘧啶，腺嘌呤，鳥嘌呤，胞嘧啶和。這兩個中的每一個都吸引一個“螺旋”，并且一條鏈中的胸腺嘌呤以“雙螺旋結構”存在，其中另一條鏈中的鳥嘌呤和胞嘧啶類似地結合到次明膠上。由于要為每個堿基確定要結合的另一方的堿基，因此當解開一組兩個的結構并一一分離時，單鏈DNA是與其自身成對關系的分子（堿基）。
通過熟練地運用這種能力，Kakugo等人已經(jīng)能夠使用DNA向運動蛋白發(fā)送命令來控制其運動。
提供DNA控制運動
當它開始工作時，出現(xiàn)了以下問題。問題是，“我應該用這種運動蛋白編寫什么樣的程序？”?Kakugo先生對此深入研究。
“由一個只有幾微米的運動蛋白制成的分子機器人可以被制造出來嗎？它們的體積太小了，可以發(fā)揮作用嗎？”
考慮到頭發(fā)的厚度大約為50-100微米，而紅細胞的直徑為7.5微米，由單個運動蛋白制成的分子機器人肯定顯得非常渺小。那時，我通過大自然得到啟發(fā)：螞蟻可以攜帶比自己更大的東西。
“在那種情況下，可以通過把微小分子機器人聚集起來做大事情?！?考慮到這一點，角鄉(xiāng)先生立即決定控制他的運動，向他發(fā)出DNA來“創(chuàng)造并驅散羊群”。挑戰(zhàn)成功了：隨后的研究使分子機器人能夠響應更復雜的命令。例如，您可以創(chuàng)建一個分子群并旋轉一圈，或者同時創(chuàng)建另一個分子群來探索該區(qū)域。另外，它們可以像螞蟻一樣攜帶大分子物質。
最后的挑戰(zhàn)是控制該命令的“傳感器”。再次見到別人給了我一個提示。
這是與名古屋大學現(xiàn)任生物分子工程系的淺沼博之教授在一個研究小組中相遇的。Asanuma教授正在進行利用光控制分子運動的研究，例如利用結構隨光而變化的分子控制DNA中雙螺旋的形成和釋放。Kakugo先生說，這項研究只是一個提示。
為了打開和關閉“控制系統(tǒng)”，他想到了將一個分子暴露在DNA中時其結構會發(fā)生變化的分子。通過照射光，結合的分子的形狀改變。他試圖利用分子形狀的這種變化而解開并重新連接雙鏈DNA的事實來切換命令。然后，我們成功地創(chuàng)建了一個分子機器人，該機器人在暴露于人眼可見的可見光時會聚集，而在暴露于人眼不可見的紫外線時會分散。
DNA折疊進化了分子機器人
分子機器人已經(jīng)可以通過組團來做大事情，但是它們的弱點是它們太小?！凹热恍Ч芎?，我們是否可以使用相同的材料在結構上和驅動上做些更多的事情？”?為此，角鄉(xiāng)先生一直在與關西大學化學與生物技術學院的秋谷信紀教授以及東京工業(yè)大學信息科學與技術學院信息工程學系的小瀨昭彥教授進行研究。
在這項研究中，Kakugo和他的同事們專注于一種稱為“ DNA折疊”的結構。當您想到折疊時，您可以考慮折疊一張紙以制造飛機，或將折紙結起來制成刀劍。DNA折疊很相似，通過折疊長的單鏈DNA并結合短的DNA來固定結構以創(chuàng)建更大的結構。
在實驗中，將具有與DNA折疊結構配對的DNA的分子添加到微管中，作為DNA折疊結構和運動蛋白運動的立足點。然后，微管沿徑向聚集，形成看起來像星形的結構。當將一種將四種運動蛋白（驅動蛋白）結合在一起的分子添加到其中時，星狀結構聚集，先前為微米級的網(wǎng)絡結構立即變?yōu)楹撩准壍木W(wǎng)絡結構。我長大了。
另外，添加了作為能量來源的ATP。然后，該結構迅速縮小到其原始大小的1/40。由于這種收縮運動類似于稱為平滑肌的肌肉，它與人體內部器官的肌肉相同，因此該驅動系統(tǒng)可以稱為“人工分子肌肉”。
實際上，即使沒有DNA折疊結構，也觀察到了“人工分子肌肉”的這種收縮。但是，據(jù)說具有DNA折紙結構的人收縮快18倍。DNA折紙的存在不僅對于分子機器的驅動系統(tǒng)的收縮率是必不可少的，而且對于制造各種結構和實現(xiàn)更復雜的運動也是必不可少的。因此，它將極大地參與分子機器的未來發(fā)展。
由于今次副教授的研究人員使用的分子機器人和人工分子肌肉是利用生物體內的物質制成的，因此有望用作需要很好地適應生物的醫(yī)學分子機器人。將會完成。在不久的將來，小型機器人將拯救我們的生命的日子將會到來。
Kakugo先生在有關分子機器人的演講中說，給我留下了深刻的印象。
“一個分子機器人可以做的事情是有局限性的，但是通過聚集分子機器人可以實現(xiàn)一個人不能做的事情。將來，將提供具有各種功能和結構的分子機器人。如果發(fā)展起來并成為一個團體，它可能會發(fā)揮無限的力量，對我自己也是如此，一個人的能力是有限的，這些研究只能在許多研究人員的幫助下進行。而已。 ”
“即使只是一點點，我也想解決人類所面臨的問題。如果我們共同努力，可能性是無限的。”
許多研究人員正在合作研究具有無限潛力的小型機器人。我非常期待未來它將如何發(fā)展并融入我們的生活。
