膠合世界觀

羅丹 康奈爾大學(xué)生物工程和環(huán)境工程系終身教授

與藝術(shù)家同名的美國康奈爾大學(xué)生物工程和環(huán)境工程系終身教授羅丹，是位典型的學(xué)霸，但這位論著等身的學(xué)者有意無意間揭開了可能蘊含巨大商業(yè)價值的一個新領(lǐng)域——發(fā)表于今年美國《科學(xué)·機器人學(xué)》雜志上的研究顯示，羅丹團隊設(shè)計出一種以DNA（脫氧核糖核酸）為材料構(gòu)成的類生命“軟機器人”，可通過自身新陳代謝為驅(qū)動實現(xiàn)自主運動，未來有望用于開發(fā)生物芯片等多個金光閃閃的方向上。

然而，對于眾多學(xué)界、商界精英而言，或許更值得注意的是羅丹過往一系列專研方向調(diào)整背后展示出的想象力之美。

本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生物學(xué)系，羅丹在美國俄亥俄州立大學(xué)獲得分子、細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)博士之后，在康奈爾大學(xué)化工系完成博士后訓(xùn)練跳轉(zhuǎn)到工程領(lǐng)域。

“我在康乃爾大學(xué)化工系做博士后的課題之一是用多聚物材料做藥物遞送載體，就是用多聚物來遞送DNA藥物”，當(dāng)時的這個方向研究者不少，但羅丹并沒有埋頭苦干，反而抽空反問了自己幾個問題，“我為什么要用其他多聚物來遞送DNA呢？ DNA本身就是多聚物，能不能把DNA當(dāng)作多聚物來用呢？”

如果要想把DNA當(dāng)作多聚物的話，羅丹必須創(chuàng)造不同的DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——多聚物一個非常重要的特點就是其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，幸運的是其博士論文研究課題之一正好是DNA拓樸異構(gòu)酶，二者的結(jié)合催生了LuoLabs 發(fā)表于《自然·材料學(xué)》雜志的關(guān)于發(fā)明樹枝狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DNA材料的第一篇論文。

首戰(zhàn)告捷之后，羅丹發(fā)現(xiàn)有很多酶可以去作用DNA，比如只要把DNA多聚物做成黏性末端回文結(jié)構(gòu)，它就可以自己連接起來，那么連起來的DNA分子在水溶液里就是一種膠——LuoLabs完成了世界上第一個完全用DNA做成的水凝膠。

很多蛋白對細(xì)胞實際上是有毒性的，并且細(xì)胞不會讓某一種蛋白過量生產(chǎn)，而用DNA水凝膠的無細(xì)胞系統(tǒng)來生產(chǎn)蛋白質(zhì)就不會有這樣的限制。羅丹就此開掘出一個新方向，即把基因給放到DNA水凝膠的骨架上，使得在基因不會擴散出去情況下，在無細(xì)胞系統(tǒng)中生產(chǎn)出蛋白，于是上述無細(xì)胞系統(tǒng)成為了一個非常有應(yīng)用前景的項目。

有趣的是，為了擴大上述戰(zhàn)果，羅丹團隊“誤打誤撞”又在細(xì)胞形成之前的生命進(jìn)化方向上有了重大發(fā)現(xiàn)——這篇2013年發(fā)表于Scientific Reports雜志的論文顯示，為了利用DNA水凝膠作為無細(xì)胞蛋白質(zhì)工廠生產(chǎn)大量有用蛋白質(zhì)（比如蛋白質(zhì)藥物），羅丹團隊在尋找更便宜方式來制備大量水凝膠時，研究組中的仰大勇博士發(fā)現(xiàn)了海水和特定的粘土能形成水凝膠的現(xiàn)象，且能夠神奇般地在低成本下增加蛋白質(zhì)的產(chǎn)量。

如此一來非但原來之所求迎刃而解，科學(xué)家們還意識到他們的發(fā)現(xiàn)可能為一個在生命起源中長期存在的問題——生物分子到底在什么地方進(jìn)化——提供了答案：粘土可以和模擬的古海水自動生成水凝膠，像海綿一樣提供內(nèi)部空間并吸收液體，那么在數(shù)十億年的進(jìn)化過程中，化學(xué)分子也可能被約束在這些空間里，從而能夠進(jìn)行復(fù)雜的反應(yīng)，不斷進(jìn)化成蛋白質(zhì)、DNA和最終所有的分子機器，為第一個原始活細(xì)胞奠定基礎(chǔ)。

地質(zhì)歷史也提供了更進(jìn)一步的證據(jù)。粘土出現(xiàn)的地質(zhì)時間，正好和生物分子開始形成沒有細(xì)胞膜的初始類細(xì)胞(Protocell)的時間相吻合，而現(xiàn)今由細(xì)胞膜包裹的細(xì)胞就是從初始類細(xì)胞進(jìn)化而來的。所以，生物事件與地質(zhì)事件很巧妙地相輔相成。這些使得羅丹有底氣在上述論文指出：“我們認(rèn)為，在早期的地質(zhì)歷史中，粘土水凝膠為生物分子和生化反應(yīng)提供了必要的反應(yīng)場所?！?/p>

此后羅丹團隊在做生物檢測芯片再遇意外，他們發(fā)現(xiàn)DNA在這個微流系統(tǒng)中像漁網(wǎng)一般纏繞起來，這些纏繞的DNA可以形成不同的圖案，而生命有一個特征就是從細(xì)胞到組織、器官、系統(tǒng)，呈現(xiàn)為層次組裝的結(jié)構(gòu)，生命與從核苷酸到DNA長鏈然后組成染色體的DNA在層級組裝上的相像，使羅丹團隊暢著微流系統(tǒng)中的纏繞，把DNA材料做成有人工新陳代謝的類生命。

人工新陳代謝需要有調(diào)控的合成和降解，DNA合成和降解很容易實現(xiàn)，羅丹借用城市管理中的自來水管、高速公路等對反應(yīng)時間和反應(yīng)空間控制的思路，嘗試設(shè)計出一種有反饋有調(diào)控的結(jié)構(gòu)，用于DNA的有機調(diào)控起來。

這樣DNA在前方合成、后面降解，輔以流體力學(xué)的計算機模擬，羅丹團隊通過設(shè)計出微小的管道系統(tǒng)，從而得到了今年披露的這種“軟機器人”材料——可以從55個核苷酸堿基的DNA分子增殖形成幾毫米長的DNA水凝膠，這種膠體通過首端生長、尾端降解獲得動力，從微流系統(tǒng)中獲得“營養(yǎng)”，實現(xiàn)“人工新陳代謝”從而自主運動。