胶合世界观

罗丹 康奈尔大学生物工程和环境工程系终身教授

与艺术家同名的美国康奈尔大学生物工程和环境工程系终身教授罗丹，是位典型的学霸，但这位论著等身的学者有意无意间揭开了可能蕴含巨大商业价值的一个新领域——发表于今年美国《科学·机器人学》杂志上的研究显示，罗丹团队设计出一种以DNA（脱氧核糖核酸）为材料构成的类生命“软机器人”，可通过自身新陈代谢为驱动实现自主运动，未来有望用于开发生物芯片等多个金光闪闪的方向上。

然而，对于众多学界、商界精英而言，或许更值得注意的是罗丹过往一系列专研方向调整背后展示出的想象力之美。

本科毕业于中国科学技术大学生物学系，罗丹在美国俄亥俄州立大学获得分子、细胞和发育生物学博士之后，在康奈尔大学化工系完成博士后训练跳转到工程领域。

“我在康乃尔大学化工系做博士后的课题之一是用多聚物材料做药物递送载体，就是用多聚物来递送DNA药物”，当时的这个方向研究者不少，但罗丹并没有埋头苦干，反而抽空反问了自己几个问题，“我为什么要用其他多聚物来递送DNA呢？ DNA本身就是多聚物，能不能把DNA当作多聚物来用呢？”

如果要想把DNA当作多聚物的话，罗丹必须创造不同的DNA拓扑结构——多聚物一个非常重要的特点就是其拓扑结构，幸运的是其博士论文研究课题之一正好是DNA拓朴异构酶，二者的结合催生了LuoLabs 发表于《自然·材料学》杂志的关于发明树枝状拓扑结构的DNA材料的第一篇论文。

首战告捷之后，罗丹发现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结构，它就可以自己连接起来，那么连起来的DNA分子在水溶液里就是一种胶——LuoLabs完成了世界上第一个完全用DNA做成的水凝胶。

很多蛋白对细胞实际上是有毒性的，并且细胞不会让某一种蛋白过量生产，而用DNA水凝胶的无细胞系统来生产蛋白质就不会有这样的限制。罗丹就此开掘出一个新方向，即把基因给放到DNA水凝胶的骨架上，使得在基因不会扩散出去情况下，在无细胞系统中生产出蛋白，于是上述无细胞系统成为了一个非常有应用前景的项目。

有趣的是，为了扩大上述战果，罗丹团队“误打误撞”又在细胞形成之前的生命进化方向上有了重大发现——这篇2013年发表于Scientific Reports杂志的论文显示，为了利用DNA水凝胶作为无细胞蛋白质工厂生产大量有用蛋白质（比如蛋白质药物），罗丹团队在寻找更便宜方式来制备大量水凝胶时，研究组中的仰大勇博士发现了海水和特定的粘土能形成水凝胶的现象，且能够神奇般地在低成本下增加蛋白质的产量。

如此一来非但原来之所求迎刃而解，科学家们还意识到他们的发现可能为一个在生命起源中长期存在的问题——生物分子到底在什么地方进化——提供了答案：粘土可以和模拟的古海水自动生成水凝胶，像海绵一样提供内部空间并吸收液体，那么在数十亿年的进化过程中，化学分子也可能被约束在这些空间里，从而能够进行复杂的反应，不断进化成蛋白质、DNA和最终所有的分子机器，为第一个原始活细胞奠定基础。

地质历史也提供了更进一步的证据。粘土出现的地质时间，正好和生物分子开始形成没有细胞膜的初始类细胞(Protocell)的时间相吻合，而现今由细胞膜包裹的细胞就是从初始类细胞进化而来的。所以，生物事件与地质事件很巧妙地相辅相成。这些使得罗丹有底气在上述论文指出：“我们认为，在早期的地质历史中，粘土水凝胶为生物分子和生化反应提供了必要的反应场所。”

此后罗丹团队在做生物检测芯片再遇意外，他们发现DNA在这个微流系统中像渔网一般缠绕起来，这些缠绕的DNA可以形成不同的图案，而生命有一个特征就是从细胞到组织、器官、系统，呈现为层次组装的结构，生命与从核苷酸到DNA长链然后组成染色体的DNA在层级组装上的相像，使罗丹团队畅着微流系统中的缠绕，把DNA材料做成有人工新陈代谢的类生命。

人工新陈代谢需要有调控的合成和降解，DNA合成和降解很容易实现，罗丹借用城市管理中的自来水管、高速公路等对反应时间和反应空间控制的思路，尝试设计出一种有反馈有调控的结构，用于DNA的有机调控起来。

这样DNA在前方合成、后面降解，辅以流体力学的计算机模拟，罗丹团队通过设计出微小的管道系统，从而得到了今年披露的这种“软机器人”材料——可以从55个核苷酸碱基的DNA分子增殖形成几毫米长的DNA水凝胶，这种胶体通过首端生长、尾端降解获得动力，从微流系统中获得“营养”，实现“人工新陈代谢”从而自主运动。