Edderkopper på nanoskala:Molekyler, der opfører sig som robotter

Et team af forskere fra Columbia University, Arizona State University, University of Michigan, og California Institute of Technology (Caltech) har programmeret en autonom molekylær "robot" lavet af DNA til at starte, bevæge sig, tur, og stop, mens du følger et DNA-spor.

Udviklingen kan i sidste ende føre til molekylære systemer, der en dag kan blive brugt til medicinske terapeutiske anordninger og rekonfigurerbare robotter i molekylær skala - robotter lavet af mange simple enheder, der kan omplacere eller endda genopbygge sig selv for at udføre forskellige opgaver.

Et papir, der beskriver arbejdet, vises i det aktuelle nummer af tidsskriftet Natur .

Den traditionelle opfattelse af en robot er, at den er "en maskine, der fornemmer sit miljø, træffer en beslutning, og så gør noget - det handler, " siger Erik Winfree, lektor i datalogi, beregnings- og neurale systemer, og bioingeniør hos Caltech.

Milan N. Stojanovic, et fakultetsmedlem i afdelingen for eksperimentel terapi ved Columbia University, ledet projektet og gik sammen med Winfree og Hao Yan, professor i kemi og biokemi ved Arizona State University og ekspert i DNA-nanoteknologi, og med Nils G. Walter, professor i kemi og direktør for Single Molecule Analysis in Real-Time (SMART) Center ved University of Michigan i Ann Arbor, for det, der blev en moderne selvsamling af ligesindede videnskabsmænd med de komplementære ekspertiseområder, der er nødvendige for at tackle et hårdt problem.

Krympning af robotter ned til molekylær skala ville give, til molekylære processer, de samme slags fordele, som klassisk robotteknologi og automatisering giver i makroskopisk skala. Molekylære robotter, i teorien, kunne programmeres til at fornemme deres omgivelser (f.eks. tilstedeværelsen af ​​sygdomsmarkører på en celle), træffe en beslutning (at cellen er kræft og skal neutraliseres), og handle på den beslutning (lever en last af kræft-dræbende lægemidler).

Eller, som robotterne i en moderne fabrik, de kunne programmeres til at samle komplekse molekylære produkter. Robotteknologiens kraft ligger i det faktum, at en gang programmeret, robotterne kan udføre deres opgaver selvstændigt, uden yderligere menneskelig indblanding.

Med det løfte, imidlertid, kommer et praktisk problem:hvordan programmerer man et molekyle til at udføre kompleks adfærd?

"I normal robotteknologi, robotten selv indeholder viden om kommandoerne, men med individuelle molekyler, du kan ikke gemme den mængde information, så ideen er i stedet at gemme information om kommandoerne på ydersiden, " siger Walter. Og det gør du, siger Stojanovic, "ved at gennemsyre molekylets miljø med informationssignaler."

"Vi var i stand til at skabe sådan et programmeret eller 'ordineret' miljø ved hjælp af DNA-origami, " forklarer Yan. DNA origami, en opfindelse af Caltech Senior Research Associate Paul W.K. Rothemund, er en type selvsamlet struktur lavet af DNA, der kan programmeres til at danne næsten ubegrænsede former og mønstre (såsom smiley-ansigter eller kort over den vestlige halvkugle eller endda elektriske diagrammer). Udnyttelse af sekvensgenkendelsesegenskaberne ved DNA-baseparring, DNA-origami skabes ud fra en lang enkelt DNA-streng og en blanding af forskellige korte syntetiske DNA-strenge, der binder til og "hæfter" det lange DNA til den ønskede form. Origamien brugt i Natur undersøgelsen var et rektangel, der var 2 nanometer (nm) tykt og omkring 100 nm på hver side.

Forskerne konstruerede et spor af molekylære "brødkrummer" på DNA-origami-sporet ved at strenge yderligere enkeltstrengede DNA-molekyler, eller oligonukleotider, fra enderne af hæfteklammerne. Disse repræsenterer de signaler, der fortæller de molekylære robotter, hvad de skal gøre - start, gå, Drej til venstre, Drej til højre, eller stop, for eksempel - beslægtet med kommandoer givet til traditionelle robotter.

Den molekylære robot, forskerne valgte at bruge - kaldet en "edderkop" - blev opfundet af Stojanovic for flere år siden, på hvilket tidspunkt det viste sig at være i stand til at forlænge, men urettet, tilfældige ture på todimensionelle overflader, spise gennem et felt med brødkrummer.

For at bygge den 4-nm-diameter molekylære robot, forskerne startede med et almindeligt protein kaldet streptavidin, som har fire symmetrisk placerede bindingslommer til en kemisk del kaldet biotin. Hvert robotben er en kort biotin-mærket DNA-streng, "så på denne måde kan vi binde op til fire ben til kroppen af ​​vores robot, " siger Walter. "Det er en firbenet edderkop, " spøger Stojanovic. Tre af benene er lavet af enzymatisk DNA, som er DNA, der binder til og skærer en bestemt sekvens af DNA. Edderkoppen er også udstyret med en "startstreng" - det fjerde ben - der binder edderkoppen til startstedet (et bestemt oligonukleotid på DNA-origami-sporet). "Efter at robotten er frigivet fra sit startsted af en triggerstreng, den følger sporet ved at binde sig til og derefter skære de DNA-strenge, der strækker sig ud af de korte strenge på det molekylære spor, " forklarer Stojanovic.

"Når den først kløver, " tilføjer Yan, "produktet vil adskilles, og benet vil begynde at søge efter det næste substrat." På denne måde, edderkoppen bliver ført ned ad den vej, som forskerne har udlagt. Endelig, forklarer Yan, "Roboten stopper, når den støder på et stykke DNA, som den kan binde sig til, men som den ikke kan skære, ", der fungerer som en slags fluepapir.

Selvom andre DNA-walkers er blevet udviklet før, de har aldrig vovet sig længere end omkring tre skridt. "Denne, " siger Yan, "kan gå op til omkring 100 nanometer. Det er omkring 50 skridt."

"Dette i sig selv var ikke en overraskelse, " tilføjer Winfree, "da Milans originale arbejde antydede, at edderkopper kan tage hundredvis, hvis ikke tusindvis af processive trin. Det spændende her er, at vi ikke kun direkte kan bekræfte edderkoppernes flertrinsbevægelse, men vi kan lede edderkopperne til at følge en bestemt vej, og de gør det helt af sig selv - selvstændigt."

Faktisk, ved hjælp af atomkraftmikroskopi og enkeltmolekyle fluorescensmikroskopi, forskerne var i stand til direkte at se edderkopper kravle hen over origamien, viser, at de var i stand til at guide deres molekylære robotter til at følge fire forskellige veje.

"At overvåge dette på et enkelt molekyleniveau er meget udfordrende, " siger Walter. "Det er derfor, vi har en tværfaglig, multi-institut drift. Vi har folk, der bygger edderkoppen, karakteriserer den grundlæggende edderkop. Vi har evnen til at samle banen, og analysere systemet med enkelt-molekyle billeddannelse. Det er den tekniske udfordring." De videnskabelige udfordringer for fremtiden, Yan siger, "er hvordan man får edderkoppen til at gå hurtigere, og hvordan man gør den mere programmerbar, så den kan følge mange kommandoer på banen og træffe flere beslutninger, implementere logisk adfærd."

"I det nuværende system, " siger Stojanovic, "interaktioner er begrænset til rollatoren og miljøet. Vores næste skridt er at tilføje en ekstra rollator, så vandrerne kan kommunikere med hinanden direkte og via omgivelserne. Edderkopperne vil arbejde sammen for at nå et mål." tilføjer Winfree, "Nøglen er, hvordan man lærer at programmere adfærd på højere niveau gennem interaktioner på lavere niveau."

Et sådant samarbejde kan i sidste ende være grundlaget for at udvikle rekonfigurerbare robotter i molekylær skala - komplicerede maskiner, der er lavet af mange simple enheder, der kan omorganisere sig selv til enhver form - for at udføre forskellige opgaver, eller ordne sig selv, hvis de går i stykker. For eksempel, det kan være muligt at bruge robotterne til medicinske applikationer. "Idéen er at få molekylære robotter til at bygge en struktur eller reparere beskadiget væv, " siger Stojanovic.

"Du kunne forestille dig, at edderkoppen bærer et lægemiddel og binder sig til en todimensionel overflade som en cellemembran, finde receptorer og afhængigt af det lokale miljø, " tilføjer Yan, "udløser aktiveringen af ​​dette lægemiddel."

Sådanne applikationer, mens det er spændende, er årtier eller mere væk. "Det kan være 100 år ude i fremtiden, " siger Stojanovic. "Det er vi så langt fra lige nu."

"Men, " tilføjer Walter, "Ligesom forskere samler sig selv i dag for at løse et vanskeligt problem, molekylære nanorobotter kan gøre det i fremtiden."