Gennembrud i kontrol af DNA-baserede robotter

Forskere har udviklet et magnetisk kontrolsystem til at få små DNA-baserede robotter til at bevæge sig efter behov-og meget hurtigere end for nylig muligt.

I journalen Naturkommunikation , Carlos Castro og Ratnasingham Sooryakumar og deres kolleger fra Ohio State University rapporterer, at kontrolsystemet reducerede responstiden for prototype nano-robotkomponenter fra flere minutter til mindre end et sekund.

Ikke alene repræsenterer opdagelsen en betydelig forbedring af hastigheden, dette værk og en anden nylig undersøgelse varsler det første direkte, realtidskontrol af DNA-baserede molekylære maskiner.

Opdagelsen kunne en dag sætte nano-robotter i stand til at fremstille objekter-f.eks. Lægemiddeludleveringsenheder-lige så hurtigt og pålideligt som deres modstykker i fuld størrelse. Tidligere har forskere kunne kun flytte DNA indirekte, ved at foranledige kemiske reaktioner til at lokke det til at bevæge sig på bestemte måder, eller indførelse af molekyler, der rekonfigurerer DNA'et ved at binde med det. Disse processer tager tid.

"Forestil dig at fortælle en robot på en fabrik at gøre noget og skulle vente fem minutter, før den udfører et enkelt trin i en opgave. Det var tilfældet med tidligere metoder til styring af DNA-nanomaskiner, "sagde Castro, lektor i mekanik og rumfartsteknik.

"Manipuleringsmetoder i realtid som vores magnetiske tilgang gør det muligt for forskere at interagere med DNA-nano-enheder, og igen interagere med molekyler og molekylære systemer, der kunne kobles til disse nano-enheder i realtid med direkte visuel feedback. "

I tidligere arbejde, Castros team brugte en teknik kaldet DNA origami til at folde individuelle DNA -strenge til at danne simple mikroskopiske værktøjer som rotorer og hængsler. De byggede endda en "trojansk hest" ud af DNA til levering af lægemidler til kræftceller.

Til denne nye undersøgelse, forskerne sluttede sig til Ratnasingham Sooryakumar, professor i fysik. Han har tidligere udviklet mikroskopiske magnetiske "pincetter" til at flytte biologiske celler i biomedicinske applikationer såsom genterapi. Pincetten var faktisk lavet af grupper af magnetiske partikler, der bevægede sig i synkronisering for at skubbe cellerne, hvor folk ville have dem til at gå.

De magnetiske partikler, mens den er usynlig for det blotte øje, var stadig mange gange større end en af ​​Castros nanomaskiner, Sooryakumar forklarede.

"Vi havde opdaget en måde at udnytte magten til magnetiske kræfter til at undersøge den mikroskopiske verden - en skjult verden med forbløffende kompleksitet, "sagde han." Men vi ville overgå fra mikroverdenen til nanoverdenen. Dette førte til samarbejdet med Dr. Castro. Udfordringerne var at krympe funktionaliteten af ​​vores partikler tusind gange, par dem til præcise placeringer på maskinernes bevægelige dele og inkorporer fluorescerende molekyler som fyrtårne ​​for at overvåge maskinerne, mens de bevæger sig. "

Til denne undersøgelse, holdet byggede stænger, rotorer og hængsler ved hjælp af DNA origami. Derefter brugte de stive DNA -håndtag til at forbinde de nanoskopiske komponenter til miniaturekugler lavet af polystyren imprægneret med magnetisk materiale. Ved at justere et magnetfelt, de fandt ud af, at de kunne kommandere partiklerne til at svinge komponenter frem og tilbage eller rotere dem. Komponenterne udførte de instruerede bevægelser på mindre end et sekund.

For eksempel, nano-rotoren var i stand til at dreje hele 360 ​​grader på cirka et sekund med kontinuerligt kontrolleret bevægelse drevet af et roterende magnetfelt. Nano-hængslet kunne lukkes eller åbnes på 0,4 sekunder, eller holdes i en bestemt vinkel med en præcision på 8 grader.

Disse bevægelser kunne have taget flere minutter, hvis de blev udført med traditionelle metoder, Sagde Castro. Han forestiller sig, at komplekse nanomaterialer eller biomolekylære komplekser en dag kunne fremstilles i DNA-baserede nanofabrikker, der opdager og reagerer på deres lokale miljø.

Undersøgelsen ventede længe:Forskerne besluttede at fusionere Sooryakumars magnetiske platform med Castros DNA -enheder for mange år siden. "Det tog meget dedikeret arbejde fra flere studerende at realisere den idé, og det er vi glade for at fortsætte med at bygge videre på. Denne undersøgelse viser et spændende fremskridt, der kun var muligt med dette tværfaglige samarbejde. "Sagde Castro.