Voyage of the DNA Treader

Richard Feynman havde ret:der er masser af plads i bunden, og bippen, tømmende skraldespande fra 1950'ernes science fiction viger gradvist for mikrodroider på størrelse med et støvkorn. . . eller endda et molekyle.

Men denne nye race af usynligt små robotter rejser et nyt spørgsmål:hvordan kan selv rudimentær intelligens presses ind i noget, hvis største bevægelige del består af en håndfuld atomer? En løsning, siger Caltech kandidatstuderende i beregninger og neurale systemer Nadine Dabby, er at bygge det smarte ind i miljøet i stedet for.

Ved januars TEDxCaltech-konference, Dabby vil præsentere en robot med ét molekyle, der er i stand til at følge et spor af kemiske brødkrummer. Et papir hun var medforfatter til Natur maj sidste år beskriver en "molekylær edderkop", der kan lokkes til at "gå" ned ad en forudbestemt sti.

Edderkoppens "ben" er lavet af korte DNA-segmenter, ligesom "substratmolekylerne", der udgør stien, som hver især er forankret i den ene ende som et græsstrå. Ben og underlag kan binde sammen midlertidigt, men denne proces efterlader substratet lidt mindre "klæbende", end det tidligere var, og det næste ben, der kontakter den, vil ikke blive holdt så længe. Den subtile forskel i klæbrighed er det, der producerer robottens gangadfærd. Uden retningssans, plan, eller formål, dens ben flagrer konstant rundt tilfældigt, ligesom dem af den ordsprogede drukkenbolt i sandsynlighedsundersøgelser. Men fordi de holdes mindre fast af underlag, der tidligere er blevet besøgt, den samlede bevægelse har en tendens til at fortsætte i fremadgående retning.

Brødkrummebanen er lagt ud på overfladen af ​​et selvsamlende biomolekyle, genereret af en proces kaldet "DNA origami." Udviklet hos Caltech i Erik Winfrees bioingeniørlaboratorium af daværende postdoc Paul W. K. Rothemund (nu seniorforsker), denne teknik væver en enkelt DNA-streng ind i et rum-fyldende rektangel. Lange parallelle strækninger vekslende med skarpe U-vendinger skaber et mønster, der minder om frem og tilbage sporet af en landmand, der pløjer en mark.

For at cementere det vævede DNA på plads, flere meget kortere DNA-stykker tilføjes; disse "hæftestrenge" binder på specifikke positioner langs det vævede molekyles længde, fastspænding tilstødende løber sammen som lynlås omkring en strømledning. Og disse hæftestrenge har en anden funktion:de fungerer som ankre for substratmolekylerne, der definerer stien. Det ru 16 x 12 gitter, som de falder ind i, er ikke tæt nok til at skabe meget komplicerede labyrinter, men det gjorde det muligt for forskerne at oprette et par med det samme, nogle bøjninger, og et skarpt sving eller to.

Teknisk set, edderkoppen har ikke otte ben, men fire, og den går kun på tre af dem. Den fjerde bruges til at binde molekylet til dets startposition, indtil et kemisk signal fra forskerne bryder bindingen og sender robotten på vej. (Forestil dig en trebenet leguan bundet til en stolpe; snoren knækker, og væsenet snubler af på sine gummiagtige ben.)

Og hvordan ser en nano-bot i aktion ud? Ved hjælp af fluorescerende markører og atomkraftmikroskopi, holdet producerede med succes en kort og temmelig kornet "film" af en edderkop, der faktisk er på vej op ad havestien.

Med et tempo målt i nanometer i minuttet, den lille tripper vil sandsynligvis ikke bryde nogen landhastighedsrekorder. Alligevel, Dabby tænker, givet nogle få forbedringer til dets evne til at fortolke og ændre dets molekylære miljø, robotten kunne fungere som en biologisk computer, udfører vilkårligt komplekse algoritmer.

Det første lille skridt ned ad et lille spor af DNA kan bare repræsentere et kæmpe spring for bot-type.