En DNA -nanorobot er programmeret til at opfange og sortere molekyler i foruddefinerede områder

Forestil dig en robot, der kan hjælpe dig med at rydde op i dit hjem:roer rundt, sortering af herreløse strømper i vasketøjet og snavsede tallerkener i opvaskemaskinen. Selvom en sådan praktisk hjælper stadig kan være science fiction, Caltech -forskere har udviklet en autonom molekylær maskine, der kan udføre lignende opgaver - på nanoskalaen. Denne "robot, "lavet af en enkelt streng af DNA, kan autonomt "gå" rundt på en overflade, afhent visse molekyler og aflever dem på bestemte steder.

Arbejdet blev udført i laboratoriet i Lulu Qian, adjunkt i bioingeniør. Det fremgår af et papir i 15. september -udgaven af Videnskab .

Hvorfor Nanobots?

"Ligesom elektromekaniske robotter sendes til fjerne steder, ligesom Mars, vi vil gerne sende molekylære robotter til små steder, hvor mennesker ikke kan gå, såsom blodbanen, "siger Qian." Vores mål var at designe og bygge en molekylær robot, der kunne udføre en sofistikeret nanomekanisk opgave:lastsortering. "

Sådan bygger du en molekylær robot

Anført af den tidligere kandidatstuderende Anupama Thubagere (PhD '17), forskerne konstruerede tre grundlæggende byggesten, der kunne bruges til at samle en DNA -robot:et "ben" med to "fødder" til at gå, en "arm" og "hånd" til afhentning af gods, og et segment, der kan genkende et specifikt drop-off-punkt og signalere til hånden om at frigive sin last. Hver af disse komponenter er lavet af blot et par nukleotider inden for en enkelt DNA -streng.

I princippet, disse modulære byggesten kunne samles på mange forskellige måder for at udføre forskellige opgaver - en DNA -robot med flere hænder og arme, for eksempel, kunne bruges til at transportere flere molekyler samtidigt.

I det arbejde, der er beskrevet i Science -papiret, Qian -gruppen byggede en robot, der kunne udforske en molekylær overflade, opfange to forskellige molekyler - et fluorescerende gult farvestof og et fluorescerende lyserødt farvestof - og derefter distribuere dem til to forskellige områder på overfladen. Brug af fluorescerende molekyler gjorde det muligt for forskerne at se, om molekylerne endte på deres tiltænkte steder. Robotten sorterede med succes seks spredte molekyler, tre lyserøde og tre gule, på deres rigtige steder på 24 timer. Tilføjelse af flere robotter til overfladen forkortede den tid, det tog at fuldføre opgaven.

"Selvom vi demonstrerede en robot til denne specifikke opgave, det samme systemdesign kan generaliseres til at arbejde med snesevis af lasttyper på ethvert vilkårligt startsted på overfladen, "siger Thubagere." Man kunne også have flere robotter til at udføre forskellige sorteringsopgaver parallelt. "

Design gennem DNA

Nøglen til at designe DNA -maskiner er, at DNA har unikke kemiske og fysiske egenskaber, der er kendte og programmerbare. En enkelt DNA -streng består af fire forskellige molekyler kaldet nukleotider - forkortet A, G, C, og T - og arrangeret i en streng kaldet en sekvens. Disse nukleotider bindes i specifikke par:A med T, og G med C. Når en enkelt streng støder på en såkaldt omvendt komplementær streng-f.eks. CGATT og AATCG - de to tråde lynes sammen i den klassiske dobbelthelix -form.

En enkelt streng, der indeholder de rigtige nukleotider, kan tvinge to delvist lynede tråde til at pakke hinanden ud. Hvor hurtigt hver lynlås- og udpakningshændelse sker, og hvor meget energi den forbruger, kan estimeres for en given DNA -sekvens, giver forskere mulighed for at kontrollere, hvor hurtigt robotten bevæger sig, og hvor meget energi den bruger til at udføre en opgave. Derudover længden af ​​en enkelt streng eller to lynlåse tråde kan beregnes. Dermed, benet og foden på en DNA -robot kan designes til en ønsket trinstørrelse - i dette tilfælde 6 nanometer, hvilket er omkring en hundrede milliondel af et menneskes trinstørrelse.

Ved hjælp af disse kemiske og fysiske principper, forskere kan designe ikke kun robotter, men også "legepladser, "såsom molekylære tavler, at teste dem på. I det aktuelle arbejde, DNA-robotten bevæger sig rundt på et 58-nanometer-for-58-nanometer pegboard, hvor pindene er lavet af enkelte DNA-tråde, der supplerer robotens ben og fod. Robotten binder sig til en pind med benet og en af ​​fødderne - den anden fod flyder frit. When random molecular fluctuations cause this free foot to encounter a nearby peg, it pulls the robot to the new peg and its other foot is freed. This process continues with the robot moving in a random direction at each step.

It may take a day for a robot to explore the entire board. Langs vejen, as the robot encounters cargo molecules tethered to pegs, it grabs them with its "hand" components and carries them around until it detects the signal of the drop-off point. The process is slow, but it allows for a very simple robot design that utilizes very little chemical energy.

Futuristic Applications

"We don't develop DNA robots for any specific applications. Our lab focuses on discovering the engineering principles that enable the development of general-purpose DNA robots, " says Qian. "However, it is my hope that other researchers could use these principles for exciting applications, such as using a DNA robot for synthesizing a therapeutic chemical from its constituent parts in an artificial molecular factory, delivering a drug only when a specific signal is given in bloodstreams or cells, or sorting molecular components in trash for recycling."