Fra levende computere til nano-robotter:hvordan tog DNA ud over genetik

DNA er et af de mest fantastiske molekyler i naturen, giver en måde at bære de nødvendige instruktioner til at skabe næsten enhver livsform på Jorden i en mikroskopisk pakke. Nu finder forskerne måder at skubbe DNA endnu længere, bruger det ikke kun til at lagre information, men til at skabe fysiske komponenter i en række biologiske maskiner.

Deoxyribonukleinsyre eller "DNA" bærer den genetiske information, som vi, og alle levende organismer, bruge til at fungere. Det kommer typisk i form af den berømte dobbelthelix-form, består af to enkeltstrengede DNA-molekyler foldet til en spiral. Hver af disse består af en række af fire forskellige typer molekylære komponenter:adenin (A), guanin (G), thymin (T), og cytosin (C).

Gener består af forskellige sekvenser af disse byggestenskomponenter, og rækkefølgen, hvori de optræder i en DNA-streng, er det, der koder for genetisk information. Men ved præcist at designe forskellige A, G, T- og C-sekvenser, Forskere har for nylig været i stand til at udvikle nye måder at folde DNA til forskellige origamiformer, ud over den konventionelle dobbelthelix.

Denne tilgang har åbnet nye muligheder for at bruge DNA ud over dets genetiske og biologiske formål, at gøre det til et Lego-lignende materiale til at bygge genstande, der kun er et par milliardtedele meter i diameter (nanoskala). DNA-baserede materialer bliver nu brugt til en række forskellige anvendelser, lige fra skabeloner til elektroniske nano-enheder, til måder til præcist at transportere lægemidler til syge celler.

DNA-baserede nanotermometre

At designe elektroniske enheder, der kun er nanometer store, åbner op for alle mulige anvendelsesmuligheder, men gør det sværere at opdage defekter. Som en måde at håndtere dette på, forskere ved University of Montreal har brugt DNA til at skabe ultrafølsomme nanoskala-termometre, der kunne hjælpe med at finde små hotspots i nanoenheder (hvilket tyder på en defekt). De kan også bruges til at overvåge temperaturen inde i levende celler.

Nanotermometrene er lavet ved hjælp af sløjfer af DNA, der fungerer som switches, foldning eller udfoldning som reaktion på temperaturændringer. Denne bevægelse kan detekteres ved at fastgøre optiske prober til DNA'et. Forskerne ønsker nu at bygge disse nanotermometre ind i større DNA-enheder, der kan arbejde inde i menneskekroppen.

Biologiske nanorobotter

Forskere ved Harvard Medical School har brugt DNA til at designe og bygge en robot i nanostørrelse, der fungerer som et lægemiddelleveringsmiddel til at målrette mod specifikke celler. Nanorobotten kommer i form af en åben tønde lavet af DNA, hvis to halvdele er forbundet med et hængsel, der holdes lukket af specielle DNA-håndtag. Disse håndtag kan genkende kombinationer af specifikke proteiner, der findes på overfladen af ​​celler, inklusive dem, der er forbundet med sygdomme.

Når robotten kommer i kontakt med de rigtige celler, den åbner containeren og afleverer sin last. Når det påføres en blanding af sunde og kræftfremkaldende menneskelige blodceller, disse robotter viste evnen til at målrette og dræbe halvdelen af ​​kræftcellerne, mens de raske celler forblev uskadte.

Bio-computere i levende dyr

Fordi DNA-strukturer kan fungere som switches, bevæger sig fra en position til en anden og tilbage igen, de kan bruges til at udføre de logiske operationer, der gør computerberegninger mulige. Forskere ved Harvard og Bar-Ilan University i Israel har brugt dette princip til at bygge forskellige nanoskala robotter, der kan interagere med hinanden, bruger deres DNA-switche til at reagere på og producere forskellige signaler.

Hvad mere er, forskerne implanterede robotterne i et levende dyr, i dette tilfælde en kakerlak. Dette gjorde det muligt for dem at udvikle en ny type biologisk computer, der kan kontrollere leveringen af ​​terapeutiske molekyler inde i kakerlakken ved at skifte elementer i deres struktur "til" eller "sluk". Et forsøg med disse DNA-nanorobotter er nu planlagt til at finde sted i mennesker.

Lyshøstende antenner

Udover at skabe små maskiner, DNA kan give os en måde at kopiere naturlige processer på nanoskala. For eksempel, naturen kan fange energi fra solen ved hjælp af fotosyntese til at omdanne lys til kemisk energi, som fungerer som brændstof for planter og andre organismer (og de dyr, der spiser dem). Forskere ved Arizona State University og University of British Columbia har nu bygget en tre-arm DNA-struktur, der kan fange og overføre lys, der efterligner denne proces.

Fotosyntese forekommer i levende organismer takket være bittesmå antenner, der består af et stort antal pigmentmolekyler i bestemte orienteringer og afstande fra hinanden, som er i stand til at absorbere synligt lys. De kunstige DNA-baserede strukturer fungerer som lignende antenner, kontrollere positionen af ​​specifikke farvestofmolekyler, der absorberer lysenergien og kanaliserer den til et reaktionscenter, hvor den omdannes til kemisk energi. Dette arbejde kunne bane vejen for enheder, der er i stand til mere effektivt at bruge den mest rigelige energikilde, vi har til rådighed:sollys.

Så hvad er det næste for DNA-nanoteknologi? Det er svært at vide, men med DNA, naturen har givet os et meget alsidigt værktøj. Det er nu op til os at udnytte det bedst muligt.

Denne historie er udgivet med tilladelse fra The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).