Sammenfoldelig, organisk og let nedbrydeligt:​​Hvorfor DNA er det foretrukne materiale til nanorobotter

Kun i kræftmedicin sigter klinikere på at angribe og dræbe legioner af en patients egne celler. Men raske tilstedeværende celler bliver ofte fanget i dødelig krydsild, derfor kan kræftbehandlinger give alvorlige bivirkninger hos patienter.

Forskere søger smartere medicin til kun at målrette mod de onde. Et håb er, at små robotter i størrelsesordenen en milliardtedel meter kan komme til undsætning, levering af lægemidler direkte til useriøse kræftceller. For at lave disse nanorobotter, forskere i Europa henvender sig til livets grundlæggende byggesten – DNA.

I dag, robotter kommer i alle former og størrelser. En af de stærkeste industrirobotter kan løfte biler, der vejer over to tons. Men materialer som silicium er ikke så velegnede i de mindste skalaer.

Mens du kan lave rigtig små mønstre i massivt silicium, du kan ikke rigtig gøre det til mekaniske enheder under 100 nanometer, siger professor Kurt Gothelf, kemiker og DNA nanoteknolog ved Aarhus Universitet i Danmark. Det er her, DNA kommer ind. "DNA-spiralens diameter er kun to nanometer, " siger prof. Gothelf. Et rødt blodlegeme er omkring 6, 000 nanometer på tværs.

Lego

Dr. Tania Patiño, en nanoteknolog ved universitetet i Rom i Italien, siger, at DNA er ligesom Lego. "Du har disse små byggeklodser, og du kan sætte dem sammen for at skabe enhver form, du ønsker, " forklarede hun. For at fortsætte analogien, DNA kommer i fire forskellige farvede blokke, og to af farverne parrer sig over for hinanden. Dette gør dem forudsigelige.

Når du sætter en række DNA-blokke sammen, en anden linje vil parre sig modsat. Forskere har lært, hvordan man binder DNA sammen på en sådan måde, at de introducerer spaltninger og bøjninger. "Ved smart design, du forgrener DNA-strenge, så du nu har tre dimensioner, " sagde prof Gothelf. "Det er meget let at forudsige, hvordan det folder."

Dr. Patiño udvikler selvkørende DNA nanorobotics i sit projekt, DNA-bots. "DNA er meget justerbart, " sagde hun. "Vi kan have software, der viser os, hvilke sekvenser der producerer hvilken form. Dette er ikke muligt med andre materialer i denne lille skala."

Mens DNA nanorobotter er langt fra at blive brugt i mennesker, med professor Gothelf, der sagde, at 'vi vil ikke se nogen medicin baseret på dette i de næste ti år, " der sker fremskridt i laboratoriet. Allerede nu kan videnskabsmænd få en streng DNA fra en virus, og design derefter ved hjælp af software kortere DNA-strækninger til at parre med og bøje strengen til en ønsket form. "Denne fantastiske teknik kaldes DNA origami, " sagde Prof. Gothelf. Det giver videnskabsfolk mulighed for at skabe 3D-bots lavet af DNA.

I et tidligt gennembrud, Prof. Gothelfs forskningslaboratorium lavede en DNA-boks med et låg, der kunne åbnes. Senere, en anden gruppe byggede en tøndeformet robot, der kunne åbne sig, når den genkendte kræftproteiner, og frigiver antistoffragmenter. Denne strategi bliver fulgt, så en DNA-robot en dag kan nærme sig en tumor, binde sig til den og frigive dens dræbende last.

"Med nanorobotter kunne vi have mere specifik levering til en tumor, " sagde Dr. Patiño. "Vi ønsker ikke, at vores lægemidler skal leveres til hele kroppen." Hun er i laboratoriet hos professor Francesco Ricci, som virker på DNA-enheder til påvisning af antistoffer og levering af lægemidler.

I mellemtiden netværket Prof. Gothelf leder, DNA-Robotics, træner unge forskere i at lave dele til DNA-robotik, der kan udføre bestemte handlinger. Prof. Gothelf arbejder på en 'bolt og kabel', der ligner en håndbremse på en cykel, hvor kraft et sted laver en ændring i en anden del af DNA-robotten. En kritisk idé i netværket er at 'plug and play' " hvilket betyder, at alle byggede dele vil være kompatible i en fremtidig robot.

Blodbanen

Ud over at udføre specifikke funktioner, de fleste robotter kan bevæge sig. DNA-robotter er for små til at svømme mod vores blodbane, men det er stadig muligt at indbygge nyttige små motorer ved hjælp af enzymer.

Dr. Patiño har tidligere udviklet en DNA-nanoswitch, der kunne mærke surheden i omgivelserne. Hendes DNA-enhed fungerede også som en selvkørende mikromotor takket være et enzym, der reagerede med almindelige ureasemolekyler fundet i vores kroppe og fungerede som en strømkilde. "Den kemiske reaktion kan producere tilstrækkelig energi til at generere bevægelse, " sagde Dr. Patiño.

Bevægelse er vigtig for at få nanorobotter derhen, hvor de skal være. "Vi kunne injicere disse robotter i blæren, og de høster den kemiske energi ved hjælp af urease og bevæger sig, " sagde Dr. Patiño. I fremtiden vil en sådan bevægelse "hjælpe dem til at behandle en tumor eller et sygdomssted med mere effektivitet end passive nanopartikler, som ikke kan bevæge sig." For nylig, Patiño og andre rapporterede, at nanopartikler udstyret med nanomotorer spredte sig mere jævnt end immobile partikler, når de sprøjtes ind i blæren på mus.

I stedet for at svømme gennem blod, nanobots kan muligvis passere gennem barrierer i vores krop. De fleste problemer med at levere medicin skyldes disse biologiske barrierer, såsom slimhindelag, bemærker Dr. Patiño. Barriererne er der for at hindre bakterier, men ofte blokerer stoffer. Dr. Patiños selvkørende DNA-robotter kan ændre disse barrierers permeabilitet eller blot køre videre gennem dem.

Stabilitet

Nanopartikler kan udstødes fra en patients blære, men denne mulighed er ikke så let andre steder i kroppen, hvor bionedbrydelige robotter, der selvdestruerer, kan være nødvendige. DNA er et ideelt materiale, da det let nedbrydes inde i os. Men det kan også være en ulempe, da kroppen hurtigt kan tygge en DNA-bot op, før den får arbejdet gjort. Forskere arbejder på at belægge eller camouflere DNA og styrke kemiske bindinger for at øge stabiliteten.

En anden potentiel ulempe er, at nøgne stykker DNA kan ses af immunsystemet som tegn på bakterielle eller virale fjender. Dette kan udløse en inflammatorisk reaktion. Endnu, ingen DNA-nanobot er nogensinde blevet sprøjtet ind i en person. Ikke desto mindre, Prof. Gothelf er overbevist om, at forskere kan komme uden om disse problemer.

Ja, stabilitet og immunreaktion var forhindringer, som udviklerne af mRNA-vacciner - som leverer genetiske instruktioner ind i kroppen inde i en nanopartikel - måtte overkomme. "Moderna- og Pfizer (BioNTech)-vaccinerne (til COVID-19) har en modificeret oligonukleotidstreng, der er formuleret i en nano-vesikel, så det er tæt på at være en lille nanorobot, " sagde Prof. Gothelf. Han forudser en fremtid, hvor DNA-nanorobotter leverer lægemidler til præcis hvor det er nødvendigt. F.eks. et lægemiddel kan være knyttet til en DNA-robot med en speciel linker, der bliver skåret af et enzym, der kun findes inde i visse celler, dermed sikre, at stoffet frigives på et præcist sted.

Men DNA-robotik er ikke kun for nanomedicin. Prof. Gothelf blander organisk kemi med DNA-nanobots for at transmittere lys langs en ledning, der kun er et molekyle i bredden. Dette kunne miniaturisere elektronik yderligere. DNA-bots kunne hjælpe med fremstilling i de mindste skalaer, fordi de kan placere molekyler på forbløffende små, men præcise afstande fra hinanden.

For nu dog, DNA-robotik til medicin er, hvad de fleste videnskabsmænd drømmer om. "Man kunne lave strukturer, der er meget mere intelligente og meget mere specifikke end hvad der er muligt i dag, " sagde Prof. Gothelf. "Dette har potentialet til at lave en helt ny generation af lægemidler."