可对生物靶标群起而攻之 智能DNA分子纳米机器人模型来了

  智能DNA分子纳米机器人模型以短的单链DNA为骨架,长度通常为100个左右的核苷酸,通过自身折叠形成纳米尺度的结构。在试管液体环境下,智能DNA分子纳米机器人会自动识别目标生物分子,然后迅速集结展开“围攻”,实现对目标生物分子的捕获和信号放大,有助于研究人员对其快速追踪。

  我们所熟知的机器人都是“钢铁战士”,帮助人类完成高危、高难度的工作。如今,生命的遗传物质——脱氧核糖核酸(DNA)为纳米机器人缔造了“血肉之躯”,刷新了人们的认知。

  近日,中国科学院合肥物质科学研究院杨良保研究员课题组与安徽大学等机构合作,构建出了可非线性云集“围攻”生物靶标分子的智能DNA分子纳米机器人模型。有关论文发表于纳米材料领域顶级期刊《纳米视野》。

  用DNA分子造个机器人

  早在20世纪中期,国外学者就提出了分子机器的设想,预测未来只要把纳米机器人放进人体的血液中,它们就能自动抵达病灶,进行手术,治疗疾病。然而,构筑这样的机器人并不容易。超分子化学领域经历50多年的发展,已经可以制备出颇为精巧的“分子马达”“分子算盘”“分子汽车”等人工分子机器。尽管如此,这些人工分子机器无论是其功能性还是多样性,都难以匹敌自然界的分子机器,如蛋白质等。

  作为遗传物质的DNA,有着令人叹为观止的精准组装能力。20世纪80年代,国外学者提出利用DNA分子构建各种具有纳米尺度形状和结构的聚集体的想法,并将其发展成为一个富有活力的DNA纳米技术领域。“这种技术将DNA分子的组装能力发挥得淋漓尽致。结合核酸适配体、核酶、各种刺激响应DNA基元以及DNA链交换反应,人们甚至可以让DNA纳米结构‘动’起来,并在物质和能量的输入下,实现计算、行走、搬运、整理等多种功能。”论文第一作者、安徽大学生命科学学院教师李绍飞表示。

  李绍飞告诉科技日报记者,DNA纳米机器人将纳米尺度的DNA作为结构基础。合理设计DNA分子,可以构筑成具有步移、结构开合、靶标捕获等动态功能的DNA纳米机器人,可应用于分析化学、医学诊断和疾病治疗等多个领域。

  李绍飞说,DNA纳米机器人体积小、特别适用于狭窄的人体循环系统的药物靶向递送。“让DNA纳米机器人靶向递送药物,到达指定地点,定向治疗炎症或清除肿瘤,同时减少在正常组织或细胞的分布,是医学纳米技术的终极目标之一。”李绍飞说。

  不仅能精准送药还能“杀敌”

  “DNA是由4种核苷酸为基本单位连接而成的生物分子序列,特定的核苷酸之间可以相互配对结合。”李绍飞介绍,核苷酸的自身作用力和序列的可编程性,以及快速发展的DNA合成和修饰技术,为DNA纳米机器人行使药物靶向递送功能奠定了基础。

  “将识别和结合肿瘤细胞的分子,包括核酸适配体、肽、抗体和生物小分子等,通过化学方法与DNA连接,就宛如为DNA纳米机器人装载了‘定向导航系统’,可发挥机器人的靶向功能。”李绍飞说,同样,将抗肿瘤药物,包括功能核酸、化疗药物、蛋白质、多肽和纳米颗粒等与DNA结合,可发挥DNA纳米机器人的药物负载和递送功能。

  李绍飞介绍,在传统的药物递送系统里,药物经血液循环,被动到达有效部位的效率非常低。大剂量的使用药物,将在全身产生严重的毒副作用。而DNA纳米机器人,通过与环境作用自我驱动,可将药物有选择地运送到靶向部位,提高靶向部位的药物浓度。

  “由于DNA序列具有良好的生物相容性、相对的化学稳定性,因此DNA纳米机器人也具有这些特点,且还具有药物包裹和药效保护、提高肿瘤细胞对药物的摄取效率等多种独特功能。”李绍飞说。

  “在试管液体环境下,智能DNA分子纳米机器人会自动识别目标生物分子,然后迅速集结展开‘围攻’,实现对目标生物分子的捕获和信号放大,有助于研究人员对其快速追踪。”李绍飞说,这就像一只蜜蜂盯上了目标物,然后召唤其他蜜蜂不断围攻,形成容易被发现的聚集群一样。

  李绍飞介绍,智能DNA分子纳米机器人模型以短的单链DNA为骨架,长度通常为100个左右的核苷酸,通过自身折叠形成纳米尺度的结构,其形状类似于一个发夹。

  智能DNA分子纳米机器人模型由多功能机械臂和备选附件(药物、信号标签、靶标钳夹等)、靶标验证器、智能云集路径控制器和自组装马达等部件组成。每个部件都有各自的“使命”。例如,多功能机械臂可以从混合物中抓取目标分子,然后由靶标验证器检验抓取目标的正确性。在抓取和识别到正确的目标分子后,机器人开始在路径控制器的引导下,按照非线性的路径方式云集,并依赖自组装马达驱动机器人完成云集组装,最终形成大的组装体。当这些部件完成各自“使命”时,目标分子充分“暴露”,只能乖乖“束手就擒”。

  补齐短板方可迎来广阔前景

  早在1959年,诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼就提出了纳米机器人的设想,这是药物靶向递送纳米机器人概念的起源。20世纪90年代,纳米技术的兴起,不断推动纳米机器人的发展。2017年,美国科研人员在《科学》杂志上发文,介绍了一款具有分拣功能的DNA纳米机器人,它可以抓住某些分子,并且将它们释放到指定的位置上,这是DNA机器人的重要一步。2018年,我国国家纳米科学中心设计出一种DNA纳米折纸机器人,可携带药物准确寻找到癌细胞的藏身之处。

  “无论是国内还是国外,对DNA纳米机器人的研究仍处于初级阶段,距离临床应用还有很长的路要走。”李绍飞认为,虽然经过几十年的研究和发展,DNA纳米机器人作为新型药物靶向递送系统,不断取得突破。然而,为了满足生物医学应用的实际需求, 纳米机器人在生物安全性、体内跟踪导航、递送效率、可持续地精确操控以及其他方面仍然存在诸多挑战。

  李绍飞表示,他们研究团队成员分别将肿瘤细胞小分子和外泌体等作为靶标,成功对靶标实现了追踪,初步验证了智能DNA分子纳米机器人模型的应用性能。

  尽管目前已经创新了方法原理,并且建立了模型,但李绍飞坦言:“考虑到DNA分子运动的复杂性和表征手段的局限性,以及生物样品的多样性,对模型的应用性能探索空间还很大。”李绍飞表示,下一步,团队将重点优化智能DNA分子纳米机器人模型云集组装效率,并进一步整合优良的信号读出技术,挖掘其在DNA纳米技术、生化分析和生物医学中的应用潜能。

  “特别是针对当前流行传染性疾病,团队正着手探索利用智能DNA分子纳米机器人模型进行超灵敏诊断的可行性。”李绍飞表示,随着计算机科学、材料学、机器人学和医学等学科的发展和学科交叉的融合进步,智能DNA纳米机器人在药物靶向递送中必然拥有广阔的前景和发展空间。

  来源:科技日报

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【“这是我来西安的原因”】

“我真正把家安在西安啦!”

孙国栋,2020年从北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室冶金工程专业博士毕业,初到西安稀有金属材料研究院有限公司,这是一家由西北有色金属研究院新发起成立的创新型科研单位,成立伊始,人员队伍还不齐备。

“小孙,需要什么条件尽管提,不管是资源经费还是研究装备,你只管放开手脚大胆干,我们会给予你支持。”公司领导给孙国栋承诺道。这话可真不是画大饼。

在接下来的时间里,公司陆续采购了2000多万元的科研装备,搭建完成了所需的实验平台,孙国栋一门心思搞研发。“我研究的方向主要是钼和钨,简单地说,就是要把钼粉和钨粉做到更细、更容易复合,从而使它们的组织结构更好,特殊性能更优,为后续的合金或特种复合材料提供优质原材料。当然,还包括更低成本更简单工艺的制备技术,让它可以工业化、批量化生产。目前,我们的钼和钨系列粉体都已经做到纳米级,处于国内领先水平。”

去年,汉中一家企业找到西安稀有金属材料研究院有限公司。原来,他们为精密加工仪器生产高端刀具,其使用的硬质合金原料依赖进口,国内在制备技术方面也存在较大的短板。针对这些需求和行业共性技术“难题”,孙国栋带领研发小组成员迎难而上,解决了纳米碳化钨制备的一系列关键问题,他们开发的碳化钨粒度已经达到了50纳米,几个关键指标表现优异,今年内,就能提供样品供厂家先期测试使用。

“这也是我当初选择来西安的原因之一。”孙国栋说,相比在高校做课题研究,他更喜欢为企业解决实际问题,为国家相关行业解决“卡脖子”环节,看到公司的成果很快能投入应用,这让他很有成就感。

在孙国栋的带动下,短短两年里,仅仅北京科技大学就来了8名博士加入公司的创新平台。“我是安徽亳州人,西安的人才环境是一流的。博士安家费、项目经费、平台资源,包括这次入选‘西安英才计划’青年人才创新项目,从西安市、经开区,到公司都给了我大力支持。我娶了西安姑娘,买了房子,真正把家安在西安啦!”

6月28日,西安市评出
首批“西安英才计划”青年人才项目
孙国栋就是其中之一
该项目为诸多像他一样的
年龄轻、资历浅、名气小
但却才华横溢的好苗子
送上及时雨

为了进一步吸引集聚更多优秀青年人才在西安创新创业,市委人才办牵头组织实施了“西安英才计划”青年人才项目遴选工作。经项目征集、综合审核、现场答辩、专家评审、实地考察等程序,全市共确定188个人才项目,作为首批“西安英才计划”青年人才项目人选。

首批“西安英才计划”青年人才项目
对入选青年人才
提供怎样的培养支持?
哪些项目可以申报?
申报人应具备啥条件?
......
跟着经开君往下看

——重点支持支柱和优势产业领域人才项目——

按照《“西安英才计划”青年人才项目工作方案》安排,由市委人才办牵头,统筹协调各区县、开发区分别制定了本区域青年人才项目遴选工作细则,提出了重点支持产业领域和遴选数量,细化了各自领域具体遴选范围和参选条件,明确了遴选方式和流程安排。

在重点支持方向上,本次青年人才项目遴选紧扣我市支柱和优势产业领域,围绕支持秦创原创新驱动平台、乡村振兴等重大战略需求,并充分考虑各区县、开发区人才资源禀赋、重点发展方向和具体实际需要。

在遴选条件设置上,人才年龄一般不超过35岁,考虑基层一线人才成长特点,乡村振兴领域年龄条件放宽至40岁,学历放宽至大专。

——入选青年人才平均年龄33.3岁——

本次人选共188人,其中创业人才45人,创新人才143人,平均年龄33.3岁。

本次遴选项目所属领域丰富,其中,从事电子信息、航空航天、高端装备等支柱产业的人才98名,占比52.1%;从事人工智能、增材制造等新兴产业的人才21名,占比11.2%;从事农业科技、农业经营、乡村文旅等乡村振兴人才20名,占比10.6%。

人才综合素质较高。学历方面,青年人才为硕士及以上学位的占比77.7%。业绩贡献方面,有美莹基因、声耕智能科技等初创公司的青年创业人才积极推广新成果,在创业舞台中挑大梁、当主角;也有西部新锆、思摩威、爱生无人机等公司青年创新人才团队潜心科技创新和产品应用研究,领衔实施高水平科技应用项目。

项目发展潜力较大。此次参与遴选的人才项目整体质量较高,得到评审专家高度评价,来自高新技术企业的人才项目达88个,占比46.8%。宛鸣信息、智奇开物新材料、桑尼赛尔生物医药等科技类项目,大胆实施应用技术攻关,获得了天使轮投资,营业额达到千万级,产品技术与实力得到市场认可。追粟农业、蓉和农业等乡村振兴类创业项目,长期扎根基层一线,促进农业与科技、农业与电商深度融合,广泛带动村镇劳动力就业,得到当地群众高度评价。参与十四运会演出和宣传的“中国梦—朱鹮舞”“西安,不止一面”等文旅类项目深入挖掘西安文化内涵,将地域文化特色融入旅游消费元素,实现文化与产业紧密结合、相互促进,取得较好发展。

——对入选青年人才持续培养支持——

根据《“西安英才计划”青年人才项目实施办法》,对青年人才创新和创业项目分别给予3万-5万元、5万-10万元资助。

此外,市委人才办将统筹指导,各区县、开发区具体负责,加强入选人才联系服务,在提供创业创新条件、财政金融扶持、安居和子女入学优待等方面为入选人才提供联动支持,优先推荐参与市区两级项目路演推介、座谈交流、技术指导等活动,鼓励入选人才升级申报“西安英才计划”领军及菁英人才项目,持续抓好入选青年人才的培养对接和联动支持。

据悉,下一步,西安市还将以实施“西安英才计划”为契机,继续实施人才强市战略,营造一流的人才环境,通过打造全球人才汇聚高地,吸引集聚更多人才来西安创新创业,为西安建设发展提供宝贵的人才资源。

——聚焦哪些产业?——

“ 西安英才计划”青年人才项目聚焦西安市“6+5+6+1”现代产业体系和秦创原创新驱动平台建设、先进制造、文旅融合、乡村振兴等重点工作和相关领域人才需求,坚持产才融合发展、靶向引才育才,大力引进培育和支持资助创新创业能力强、发展潜力大的海内外优秀青年人才,引导青年人才服务助力西安高质量发展。

——哪些项目可以申报?——

“西安英才计划”青年人才项目分为创业项目和创新项目。

——申报人应具备什么条件?——

1. 年龄一般不超过 35 周岁,特别优秀者可予以适当放宽。

2. 创新项目申报人一般应具有硕士及以上学历学位,创业项目申报人一般应具有本科及以上学历学位。长期扎根基层一线,从事乡村振兴相关领域工作者可放宽至大专以上学历。

3. 创新项目申报人应在所从事行业领域崭露头角,具有较强的专业能力、创新思维和发展潜力,工作业绩突出,有一定行业影响力或社会服务能力。

4. 创业项目申报人所创办企业成立时间一般在1年以上、5 年以下,企业具有较强创新能力和成长潜力,有一定的市场前景和预期经济效益。

——入选人才待遇咋样?——

青年人才创新项目给予 3万-5万元资助,青年人才创业项目给予5万-10万元资助,支持入选人才开展技术研发、 课题研究、成果转化、人才培养和团队建设等。

同时,加大入选人才跟踪培养力度,各区县、开发区结合区域发展实际和人才发展需求,在支持引育人才、提供创业场所、完善生活服务等方面为入选人才提供重点支持,优先为符合条件的入选人才办理 “人才贷”,缓解其创新创业融资困难。支持青年人才项目入选人才优先升级申报“西安英才计划”领军及菁英人才项目。

同时,加强入选人才联系服务,定期组织研修考察、咨询服务等活动,引导人才弘扬爱国奋斗精神,立足岗位建功立业。

本文来源:西安发布


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