手术一般是利用手术刀等工具对生物体的特定部位进行定位机械操作，包括切割、移植、缝合等。“分子手术”是延用医学中对生物体外科手术的概念，只是对象不是生物体而是单个分子。“分子手术”的定义为：对单个分子在纳米尺度上的操纵和改性，包括对单分子的切割、推移卷积、分离，以及定位反应等。这意味着分子手术主要是借助某种机械对单个分子的机械操作及随之引发的化学和生化反应。

而这里所讨论的DNA“分子手术”，是指以机械方法和力学原理为基础，利用纳米操纵技术(如原力显微镜技术)对单个DNA分子进行定位的纳米操纵，能够实现自然界或者常规分子生物学方法无法实现的操作。利用“分子手术"技术不仅可以在单个分子的水平上操纵DNA形成特定的图形，单个DNA分子的特定位点还可以被分离并进行信息放大，然后进行常规的生化分析。DNA“分子手术”的发展将使我们对分子的加工进入一个新的技术层次。结合单分子生化反应的一系列定位操作的单分子技术，有可能构造生命与非生命物质的杂合体，制造智能机器。

DNA分子的纳米操纵

对DNA分子进行人工操纵，包括基因的分离和纯化基因拼接等，是基因工程的基础，并成为现代分子生物学重要技术支持之一，这一类操作为分子生物学发展做出了巨大贡献。很显然，人类对DNA分子的加工和操纵技术的进一步发展，终将使分子生物学再上一个台阶。

近年来，纳米技术的发展和应用提供了另外一种可能：加工和操纵单个原子和化学小分子，因此加工和操纵单个DNA分子原则上也是可行的。发展迅速的原子力显微镜(AFM)技术至少可以部分地满足这个需要。原子力显微镜的探针既可用于单分子成像，也被用于进行分子手术的手术刀。因为它既可以精确定位，又可通过探针与样品间的相互作用施以精确可控的力，起到手术刀的作用。我们近期的研究表明：AFM可以对DNA分子进行精确的、定位的切割，切割位点是任意选定的；通过对DNA分子的纳米级的操纵能构建复杂的DNA图形；通过AFM针尖的诱导作用，DNA分子可以人为地组装成复杂的纳米结构(见图1)。这种应用物理方法，在单分子水平上进行的DNA“纳米加工”，是上述通过基因工程方法的DNA操纵的重要补充。

1.(左上)纳米手术刀-AFM探针;(左下)AFM针尖诱导的DNA物理折叠;(右)纳米操纵构建复杂的DNA图形

我们系统地研究了DNA分子的“纳米加工”。例如：要施加多大的力才能切割DNA分子链；如何构建自然界不存在的新型的DNA分子的存在状态；等等。通过这些研究，提供一些常规方法难以获取的、对理解DNA分子生物学行为有用的信息。比如说，DNA分子人工诱导折叠可能与染色体的组装有关；DNA分子的精确切割与切割后DNA片段获取可能应用于DNA分子的有序测序等。这方面的研究使得我们对DNA分子的性质有更为深入的理解。

单分子DNA片段的分离和分析

对于“分子手术”的需要来说，仅仅在固体表面操纵DNA分子是不够的。如果要对DNA分子进行生化分析，必须把单个DNA片段进行单分子PCR扩增。而进行单分子PCR扩增，首先需要把DNA分子进行单分子分离，即把它从固体表面“拾”起来。但是，用AFM针尖拾取一个纳米物体一直是AFM纳米操纵领域的一个难题。扫描隧道显微镜(STM)可以通过在针尖施加电压的方式来拾取和放下单个原子分子，但是，由于生物分子-般不导电，所以STM不适合生物分子操纵。AFM可以对几乎任何纳米物体进行推移，而且可以通过纳米蘸笔技术(DPN)把黏附在针尖上的分子沉积在固体衬底上。但是，如何用AFM针尖拾取纳米物体，并且用同一个针尖实现成像、切割和拾取的全过程，仍然是一个挑战。我们经过若干年的努力，在最近实现了AFM针尖拾取切割后的DNA片段(图2)，这是单分子DNA纳米与生化分析相结合的重要一步。

2.纳米切割后的单个DNA片段可以被AFM针尖从表面分离出来

DNA“分子手术”后的处理过程非常关键。对DNA分子的分析，例如电泳分析、测序分析等常规生化分析，需要足够量的DNA分子。因此，需要把摘取的单个DNA分子进行复制扩增。单分子PCR技术基本_上满足了这一要求。我们目前已经建立并完善了单分子PCR技术，可以有效地扩增“分子手术”所摘取的单个DNA片段。

DNA分子手术的可能应用

由于DNA“分子手术”目前还处在起步阶段，我们对这个领域的研究主要集中在技术层面，没有对生物学问题进行深入探讨。然而我们认为DNA“分子手术”必将在生物、医学等领域有重要应用，这里稍微介绍一下我们的思路及一些初步工作。

DNA测序新策略

基因组测序是当今生命科学领域中的一项非常重要的工作。自1990年人类基因组计划(HGP)启动以来，尤其是在最近5年中，基因组研究有了长足地进展。此外，为了揭示基因功能，开发个性化药物和明确生物物种间的进化关系以及不同生物体生命活动的异同，也需要人们对更多的基因组进行测序。从这个意义上说“，基因组测序仅仅是个开始”。基因组研究的发展呼唤新一代测序技术的出现。

目前采用的测序技术和策略存在着许多难以逾越的瓶颈问题。以鸟枪法为主的随机测序方法为例，由于并行化程度大大提高，可以较快地对一个基因组完成测序，因此目前被大部分基因组测序中心所采用。但是，由于是随机测序，就需要对基因组进行高冗余测序，这势必增加了测序周期和费用。拼接阶段的工作又远比测序阶段费时费力，尽管利用计算机技术和新的算法，已经大大加快了拼接的速度，拼接过程依然占整个测序花费和时间的90%，成为基因组测序中的一个瓶颈。此外，对于无法克隆片断和重复序列以及多拷贝的基因问题，目前还没有根本的解决办法所以，绘制更高分辨率的染色体物理图谱和提出新的测序策略，以及发展新的测序技术就成为当前十分急迫的问题，关键之一是能否发展出克服随机测序弊病的新技术。

在开展物理学与生物信息学交叉研究的基础上，将新兴的单分子操纵技术与现有成熟的测序手段可靠地结合起来，有望发展一种解决目前随机测序方法的根本问题的有序化单分子纳米测序新策略。这种新策略是基于我们最近发展的“DNA分子手术与片段获取”技术和单分子PCR扩增获得良好进展的基础上提出的，具体思路见图3。把拉直的长DNA片断按照顺序依次切割成小片断(500碱基对左右)，然后通过单分子操纵技术将单分子小片断分离出来，随后进行单分子PCR扩增，再进行常规的测序。通过单分子操纵获得的这些小片断在长DNA链的位置和次序是已知的，所以完全的OSN方法将不需要拼接过程。原则上，经过两次切割(相互错开250碱基对)即可实现有序化。此外OSN方法原则上可以发展到对整个染色体进行拉直操作，可以用来解决无法克隆的DNA片断的测序问题。

3.有序化单分子纳米测序新策略示意图

这种策略采用的单分子操纵技术是当前最可靠的凝胶测序手段，不仅具有较高的创新性，而且有很强的可行性；该访法由于不再需要现有测序技术中耗时的建库工作，操作过程也将较为简便易行；此外，由于实现了有序化测序过程，测序的冗余度将大大降低，还能解决基因组中目前不能克隆和无法拼装的区域。

单分子纳米制造与生化反应

在单分子水平上的生化反应研究不仅是一个非常理想的分子手术的手段，也是一个非常有意义的科学问题。这是因为单分子的生化反应的成功实现和有效控制，不仅可以用来改造分子，还将提供那些传统手段所不能得到的有关单个生物大分子的结构和功能的本质信息。而传统的生物化学的研究对象是一群分子的集合体，对其分析所得到的结果是这群分子的平均体现，个体分子的差异则被淹没于整体之中.近年来，利用STM、AFM和激光镊子(Laser Tweezers)已经在单个分子的表征和操纵上取得了一系列的进展，但是单分子生化反应的研究却存在着难以逾越的技术瓶颈：如何在单分子水平上控制反应物分子使之互相靠近并保证单分子之间的反应得以发生；如何检测单分子反应的结果，等等。|这些难点问题的解决，将导致一个崭新的科学研究领域。而随着科学和技术的发展，尤其是纳米科技的发展，人们必将最终掌握单分子生化反应的手段。例如利用一种最近发展的纳米蘸笔技术(Dip-pen Nanolithography，DPN)，就可以通过原子力显微镜的微小的探针将蛋白质分子传递到拉直于表面的单分子DNA的链上。利用类似的技术，可以将反应物输送到单分子DNA上，从而实现对单个DNA分子的改造以及基于DNA分子的纳米组装。

结束语

目前DNA“分子手术”的基本“刀法”还缺乏“缝合”与“导入”这两个至关重要的技术，这使得DNA“分子手术”的主干技术还没有完全形成，对其今后的展望难以具体化。但是，如果从技术发展层面和原理性应用方面作一些猜想的话，我们认为在5~10年内，经过努力可以看到DNA“分子手术”的主要基本技术的完成。我们还将致力于专用的DNA“分子手术”系统的研制，并期望将其商业化。如果我们将DNA“分子手术”系统和因特网技术结合，将使DNA“分子手术”的能更加强大，从而实现复杂的高难度操作并可以进行“远程分子手术”。另外在DNA分子的力学性质、DNA单分子生化反应的研究方面的进展，也将为DNA“分子手术”奠定科学的基础。