根据研究人员的说法，由单个DNA链制成的微型四指“手”能够快速而敏感地检测COVID-19病毒，并防止病毒颗粒感染细胞。这种被称为NanoGripper的创新设备，还可以被编程以与不同的病毒相互作用或识别特定的细胞表面标记，以便进行有针对性的药物递送，例如在癌症治疗中。
由单根DNA链雕刻而成的微型四指“手”能够有效识别COVID-19病毒，迅速而敏感地检测，同时具备阻止病毒颗粒渗透细胞的能力，伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的研究人员报告称。这一被称为NanoGripper的创作，也可以被编程与其他各种病毒进行互动，或检测特定的细胞表面标记，以便进行量身定制的药物递送，例如癌症治疗。
在伊利诺伊大学生物工程和化学系的教授王星的带领下，团队在期刊Science Robotics上详细介绍了他们的这一突破。
研究人员从人手和鸟爪的抓取功能中汲取灵感，制造了具有四个柔性手指和一个掌心的NanoGripper，所有这些部件都是由单根DNA链衍生的纳米结构制成的。每个手指有三个关节，类似于人类的手指，弯曲的角度和程度由DNA的设计决定。
王星解释说：“我们的目标是创造一种前所未有的具有抓取能力的软纳米级机器人，以便在生物医学应用中与细胞、病毒和其他分子进行互动。我们利用DNA是因为它的结构特性；它强韧、适应性强且可编程。然而，从DNA折纸的角度来看，这种设计原则是相当新颖的。我们已经将一根连续的DNA链折叠来创建固定和活动的部分。”
手指中包含称为DNA适配体的区域，这些适配体专门设计用于与分子目标结合——例如在该初始应用中与COVID-19病毒的刺突蛋白结合，促使手指弯曲并环绕目标。在手腕侧，NanoGripper可以附着在一个表面或更大的复合物上，用于生物医学用途，如传感或药物递送。
王的团队与伊利诺伊大学电气和计算机工程系的布莱恩·坎宁安教授（生物传感领域的专家）合作，将NanoGripper与光子晶体传感平台集成。两者的结合使得一种快速的COVID-19检测诞生，只需30分钟，而其灵敏度却保持了医院中的金标准qPCR分子检测的水平——以其准确性而闻名，但相较于家庭检测，处理时间更长。
坎宁安指出：“我们的测试极快且简单，因为我们正在检测完整形式的病毒。当病毒被NanoGripper抓住时，它激活一种荧光分子，该分子在LED或激光照射时会发光。在单个病毒上的荧光分子的这种浓度在我们的检测系统中产生的亮度足以分别计数每个病毒。”
王表示，除了诊断，NanoGripper还有可能用于预防医学，通过阻止病毒渗透和感染细胞。实验表明，当NanoGripper被引入暴露于COVID-19的细胞培养时，多台抓取器将环绕病毒，阻碍病毒刺突蛋白与细胞外部的受体结合，从而防止感染。
王表示：“在感染后应用这一技术将相当具有挑战性，但我们可以提出一种预防性治疗。” “一种可能性是开发一种含NanoGripper的鼻喷剂。鼻腔是呼吸道病毒（如COVID或流感）的常见入侵点。基于NanoGripper的鼻喷剂可能会阻止吸入病毒与鼻腔细胞的相互作用。”
王称，NanoGripper可以被定制以针对其他病毒，包括流感、HIV或乙型肝炎。此外，他设想利用NanoGripper进行有针对性的药物递送，使手指能够被编程以识别特定癌症标记，将抗癌疗法直接递送到受影响的细胞。
王强调：“这一方法在我们在本研究中展示的有限实例之外，具有巨大的潜力。关于三维结构、稳定性和靶向适配体或纳米抗体需要做必要的修改，但我们已经设计了几种技术在实验室内实现这些。自然，需要进行广泛的测试；然而，癌症治疗和诊断灵敏度的潜在应用展示了软纳米机器人技术的能力。”
国家卫生研究院和国家科学基金会为这项研究提供了资助。王和坎宁安与伊利诺伊大学卡尔·R·沃斯基因生物学研究所及霍洛尼亚克微纳技术实验室有关联。
如需媒体咨询，请联系王星，电子邮件地址为xingw@illinois.edu。
题为“生物启发设计DNA NanoGripper用于病毒传感和潜在抑制”的研究论文可以通过robopak@aaas.org获取。 DOI: 10.1126/scirobotic。
这项研究部分得到NIH拨款R21EB031310、R44DE030852和R21AI166898的支持。
