关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
微型机器人在我们的血管中游动，攻击病毒和恶性细胞，但这尚未完全跨越科幻与科学之间的界限——但或许有一种方法可以加速它们的发展。
设计比血细胞还小的灵巧机器人极具挑战性。一些科学家没有从头开始设计，而是一直在尝试征募一支现成的精密纳米机器人军队：存在于我们体内数千种细菌。近年来，研究人员已经让微生物负载了有用的纳米粒子和DNA片段。尽管这项研究尚处于初步阶段，但一些工程师和微生物学家看到了可实现的潜力。本周，在圣地亚哥举行的美国化学学会年会上，约翰·霍普金斯大学的生物分子工程师大卫·格拉西亚斯讨论了他和他的同事在将纳米粒子粘附到细菌方面取得的进展。
到目前为止，格拉西亚斯和他的同事已经成功地用由镍和锡涂层镀金制成的极其微小的珠子、棒状物和新月形物装饰了大肠杆菌。每个纳米粒子的直径约为300纳米，大约是木烟颗粒大小的三倍。研究人员用抗体将纳米粒子粘附到细菌上，抗体是免疫系统用来识别外来细胞、病毒和有害细菌的小型Y形蛋白质。每种抗体都像拼图碎片一样嵌入入侵病原体表面的不同蛋白质阵列中；抗体也可以锁定其他抗体——通常来自不同物种。格拉西亚斯和他的同事首先用来自山羊和兔子的抗体涂覆纳米粒子，随后用互补抗体涂覆细菌。当他们将细菌浸泡在纳米粒子溶液中并加热混合物时，珠子、棒状物和新月形物粘附在细菌上，就像许多幸运符麦片棉花糖粘附在湿勺子的底部一样。
格拉西亚斯和他的团队还设计了一种方法，可以在微型停靠站将纳米粒子加载到细菌上，并根据需要释放它们。首先，他们用Y形抗体覆盖了小的硅和金方块，然后在上面附着了点缀着互补抗体的小珠子。然后，他们将带有另一组互补抗体的细菌引入等待的小珠子中——正如预期的那样，它们像尼龙搭扣一样扣在一起。一股溶解化学物质的波浪将细菌及其货物珠子从停靠站分离出来。
许多负载纳米粒子的细菌仍然能够自由移动，尽管不如它们未负载的同类那样快速。然而，有时，背着背包的细菌只是原地打转，显然无法向前移动。“这绝对是一项正在进行中的工作，”格拉西亚斯说。“目前，我们主要专注于改变纳米粒子的大小和形状，并确保它们粘附牢固。”
这种纳米粒子可以用红外光从远处加热，从而破坏病变组织。最终，格拉西亚斯梦想着诱导细菌运送浸泡在药物中的海绵状纳米粒子，并为细菌配备微型传感器，以测量局部温度和pH值，或配备在单个细胞上进行手术的微型工具。其他科学家的类似研究证实了工程细菌直接将医疗包递送到活细胞中的潜力。
在早期的工作中，斯坦福大学的德米尔·阿金和他的同事使用抗体和纳米粒子将DNA分子附着到弱化的单核细胞增生李斯特菌上，这种细菌是许多食物中毒病例的罪魁祸首。单核细胞增生李斯特菌是一种细胞内细菌，这意味着它已经进化出进入动物细胞的方法。阿金将荧光素酶基因（编码使萤火虫发光的酶）附着到单核细胞增生李斯特菌上，并将细菌注射到活老鼠体内。三天后，老鼠在专用相机的照射下发光，证实细菌不仅进入了老鼠的细胞，细胞核还整合了细菌的货物并表达了该基因。阿金设计的活体微型机器人可以在哺乳动物细胞内释放它们的DNA包裹，那里的pH值足够低（酸性）以溶解将荧光素酶基因粘附到细菌上的化学键。
单核细胞增生李斯特菌的优势在于它知道如何进入细胞，但即使是弱化的版本，用作医疗主力也是有风险的，因为它会使人生病。相比之下，大肠杆菌则无害得多，但并非所有菌株都具有进入细胞的特定适应性。威斯康星大学麦迪逊分校的道格拉斯·韦贝尔说，关键是使用一种无害的微生物，它是一个强大的游泳者，并且可以毫不费力地进入哺乳动物细胞。在一项实验中，他们主要出于乐趣而进行，韦贝尔、哈佛大学的乔治·怀特塞兹和他们的同事将纳米级聚苯乙烯珠子连接到一种叫做莱茵衣藻的单细胞绿藻上。韦贝尔和怀特塞兹通过向藻类细胞的一侧照射光线（藻类向光移动）成功地操纵了他们的“微型牛”。
在那之后，韦贝尔没有继续研究工程微生物来运送纳米粒子的挑战，但他仍然对正在进行的研究感到着迷。“细菌已经弄清楚如何在体内移动，”他说。“它们已经进化出惊人的运动能力。它们可以感知环境变化并适应，不仅在短时间内适应，而且它们也可以在基因上适应。即使我们无法让它们在人体内输送东西，它们也可能对在实验室中运输纳米粒子有用。谁知道我们在50年后会有什么进步呢。”