Работа проводилась в лаборатории доцента кафедры биоинженерии Лулу Цянь. Он опубликован в статье в журнале Science от 15 сентября.Почему наноботы?«Так же, как электромеханических роботов отправляют в далекие места, такие как Марс, мы хотели бы отправлять молекулярных роботов в крошечные места, куда люди не могут попасть, например, в кровоток», — говорит Цянь. «Нашей целью было спроектировать и построить молекулярного робота, который мог бы выполнять сложную наномеханическую задачу: сортировку грузов».
Как построить молекулярного роботаПод руководством бывшего аспиранта Анупамы Тубагере (PhD ’17) исследователи сконструировали три основных строительных блока, которые можно было использовать для сборки ДНК-робота: «нога» с двумя «ступнями» для ходьбы, «рука» и «рука». для приема груза и сегмент, который может распознать конкретную точку высадки и подать сигнал руке, чтобы выпустить свой груз. Каждый из этих компонентов состоит всего из нескольких нуклеотидов в одной цепи ДНК.
В принципе, эти модульные строительные блоки можно собирать множеством разных способов для выполнения различных задач — например, ДНК-робот с несколькими руками и руками может использоваться для одновременного переноса нескольких молекул.В работе, описанной в научном документе, группа Цянь построила робота, который мог исследовать молекулярную поверхность, собирать две разные молекулы — флуоресцентный желтый краситель и флуоресцентный розовый краситель — а затем распределять их по двум отдельным областям на поверхности. поверхность.
Использование флуоресцентных молекул позволило исследователям увидеть, оказались ли молекулы в предполагаемых местах. Робот успешно отсортировал шесть разбросанных молекул, три розовых и три желтых, на их правильные места за 24 часа.
Добавление дополнительных роботов на поверхность сократило время, необходимое для выполнения задачи.«Хотя мы продемонстрировали робота для этой конкретной задачи, ту же конструкцию системы можно обобщить для работы с десятками типов грузов в любом произвольном начальном местоположении на поверхности», — говорит Тубагере. «Можно также иметь несколько роботов, выполняющих различные задачи по сортировке параллельно».Дизайн через ДНК
Ключом к созданию ДНК-машин является тот факт, что ДНК обладает уникальными химическими и физическими свойствами, которые известны и программируются. Одна цепь ДНК состоит из четырех разных молекул, называемых нуклеотидами (сокращенно A, G, C и T), и выстроена в цепочку, называемую последовательностью.
Эти нуклеотиды связываются в определенные пары: A с T и G с C. Когда одна цепь встречается с так называемой обратной комплементарной цепью, например, CGATT и AATCG, две цепи соединяются вместе в классической форме двойной спирали.Одна нить, содержащая правильные нуклеотиды, может заставить две частично застегнутые нити расстегнуться друг от друга. Насколько быстро происходит каждое событие архивирования и распаковки и сколько энергии оно потребляет, можно оценить для любой данной последовательности ДНК, что позволяет исследователям контролировать, насколько быстро робот движется и сколько энергии он использует для выполнения задачи. Кроме того, можно рассчитать длину одной или двух прядей на молнии.
Таким образом, нога и ступня ДНК-робота могут быть рассчитаны на желаемый размер шага — в данном случае 6 нанометров, что составляет примерно стомиллионную долю человеческого шага.Используя эти химические и физические принципы, исследователи могут создавать не только роботов, но и «игровые площадки», такие как молекулярные перфорированные доски, для их тестирования. В текущей работе ДНК-робот перемещается по специальной доске размером 58 на 58 нанометров, на которой колышки состоят из отдельных нитей ДНК, дополняющих ногу и ступню робота. Робот привязывается к колышку ногой и одной ступней — другая ступня свободно плавает.
Когда случайные молекулярные колебания заставляют эту свободную ногу наткнуться на ближайший колышек, он подтягивает робота к новому колышку, и его вторая ступня освобождается. Этот процесс продолжается, когда робот движется в случайном направлении на каждом шаге.Роботу может потребоваться день, чтобы исследовать всю доску. По пути, когда робот встречает молекулы груза, привязанные к колышкам, он хватает их своими «ручными» компонентами и переносит их, пока не обнаружит сигнал точки высадки.
Процесс медленный, но он позволяет создать очень простую конструкцию робота, потребляющую очень мало химической энергии.Футуристические приложения«Мы не разрабатываем ДНК-роботов для каких-либо конкретных приложений. Наша лаборатория сосредоточена на обнаружении инженерных принципов, которые позволяют разрабатывать универсальных ДНК-роботов», — говорит Цянь. «Тем не менее, я надеюсь, что другие исследователи смогут использовать эти принципы для интересных приложений, таких как использование ДНК-робота для синтеза терапевтического химического вещества из его составных частей на искусственной молекулярной фабрике, доставляя лекарство только тогда, когда конкретный сигнал подается в кровоток или клетки, или сортировка молекулярных компонентов в мусоре для вторичной переработки ".