DNA机器，前进吧(3)

DNA的可预测和可编程属性在自组装过程中非常重要，也是DNA机器中的关键。2000年，时任贝尔实验室研究员的伯尼·育克（Bernie Yurke）和英国牛津大学物理学教授安德鲁·特伯菲尔德（Andrew Turberfield），合作揭示了首个指导DNA运动的手段：DNA-伴侣替换过程，即链置换反应。这一方法至今仍广泛应用。特伯菲尔德解释说，“这就是把双链中的某一条链整体或者一部分，用带有相同碱基序列的另一条链替换掉。”
例如，DNA步行者（walker），可以通过把双链拉开再合上的方式反复进行“伴侣”替换，使得它的“双脚”沿着一排带有互补碱基对的“桩子”上下踱步。
2017年，加州理工学院的研究者证实，DNA运输装置可以利用链置换反应分选货物。这种DNA“货物分选员”可以在某个表面上游荡，挑捡起废弃的货物，将它们分成不同的堆；像我们在家里收脏衣服一样，把有色衣服和白色衣服各放一堆。
DNA机器所行走的表面，是由单链DNA聚集而成的二维DNA折纸结构。货物则是一些包含DNA“条形码标签”的单链DNA。机器人是一条单链DNA，由三部分组成：走路的“脚”，收集运输货物的“手臂”，和阅读标签的片段。
机器人会在表面随机游走，直到撞上货物。它会捡起货物，继续游荡直到卸货点。如果货物条形码与卸货点匹配，机器会把货物从手上解开放下。“机器人清楚每个货物的去向；因为每个货物都会有一个DNA条形码，这些目的地里只会有一个与条形码匹配。”加州理工计算机科学家埃里克·温弗力（Erik Winfree）解释说。
这类机器最初得到证明，是用机器人分选带有绿色和红色荧光染色的DNA。不过，研究团队指出，DNA机器也能分选其他小分子，包括适配体（aptamer，指一类通过折叠形成特定的三维空间构型的单链核酸分子）、抗体、小分子化合物、金属纳米颗粒和蛋白质。
“能把物体从A点运输到B点是非常重要的。”施解释道，“在电子装置中，可以用电流改变机器状态。与此类似，我们可以利用物质的物理运动来完成相同的事情。”
加快进程
DNA货物分选员干活儿非常慢，把6个染料分子分成两堆要用24小时。为了加速这一过程，团队使用了多个机器人同时工作。另一种办法是让机器从A点直达B点，而不是随机游走。但是，说起来容易做起来难。为了在系统中制造前进的偏向力，有种办法是使用短链DNA（在这里也被称为化学燃料）来参与链置换反应。“这是一种设计不平衡反应网络的工具”，发明这一概念的特伯菲尔德解释说，“这是一个聪明的动力学技巧，可以使落在后面的那只脚比前面那只脚抬得更快。”