Этот проект является первым, кто доказывает, что те же основные принципы проектирования, которые применяются к типичным частям полноразмерных машин, могут быть применены и к ДНК — и могут производить сложные управляемые компоненты для будущих нанороботов.В статье, опубликованной на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, инженеры-механики штата Огайо описывают, как они использовали комбинацию естественной и синтетической ДНК в процессе, называемом «ДНК-оригами», для создания машин, которые могут выполнять задачи многократно.
«Природа создала невероятно сложные молекулярные машины в наномасштабе, и главная цель био-нанотехнологий — синтетически воспроизвести их функции», — сказал руководитель проекта Карлос Кастро, доцент кафедры механической и аэрокосмической техники. «Там, где большинство исследовательских групп подходят к этой проблеме с биомиметической точки зрения — имитируя структуру биологической системы, — мы решили использовать хорошо известную область разработки макроскопических машин для вдохновения».«По сути, мы используем биомолекулярную систему для имитации крупномасштабных инженерных систем для достижения той же цели — разработки молекулярных машин», — сказал он.В конечном итоге с помощью этой технологии можно будет создать сложных нанороботов для доставки лекарств внутрь тела или выполнения биологических измерений в наномасштабе, а также для многих других приложений. Как и вымышленные «Трансформеры», машина для оригами из ДНК могла менять форму для выполнения различных задач.
«Я очень взволнован этой идеей, — сказал Кастро. «Я действительно думаю, что в конечном итоге мы сможем построить что-то вроде системы трансформатора, хотя, возможно, не совсем так, как в фильмах. Я думаю об этом больше как о наномашине, которая может обнаруживать такие сигналы, как связывание биомолекулы, обрабатывать информацию на основе этих сигналов. сигналы, а затем реагировать соответствующим образом — возможно, создавая силу или изменяя форму ".Метод ДНК-оригами для создания наноструктур широко используется с 2006 года и в настоящее время является стандартной процедурой для многих лабораторий, разрабатывающих будущие системы доставки лекарств и электронику.
Он включает в себя взятие длинных цепей ДНК и их уговоры, чтобы они сложились в разные формы, а затем скрепление определенных частей вместе с помощью «скоб», сделанных из более коротких цепей ДНК. Полученная структура достаточно устойчива для выполнения основной задачи, такой как перенос небольшого количества лекарства внутри контейнероподобной структуры ДНК и открытие контейнера для его высвобождения.Чтобы создать более сложные наномашины, которые могли бы выполнять такие задачи неоднократно, Кастро объединился с Хайджуном Су, также доцентом кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в штате Огайо.
Вместе две исследовательские группы обладают опытом в области нанотехнологий, биомеханики, машиностроения и робототехники.Кастро сказал, что есть два ключа к их уникальному подходу к проектированию и управлению движением машин.
Первый предполагает придание гибкости определенным частям конструкции. Они делают гибкие части из одноцепочечной ДНК и более жесткие части из двухцепочечной ДНК.Второй ключ включает в себя «настройку» структур ДНК так, чтобы движения машин были обратимыми и повторяемыми.
Исследователи усеивают свои структуры синтетическими нитями ДНК, свисающими с краев, как навес на крыше. Вместо того, чтобы постоянно соединять части машины вместе, эти пряди сконструированы так, чтобы действовать как полоски застежек на липучках — они склеиваются или отклеиваются в зависимости от химических сигналов, исходящих от окружающей машины.
В лаборатории докторанты Александр Маррас и Лифэн Чжоу взяли длинные нити ДНК бактериофага — вируса, который заражает бактерии и безвреден для людей, — и «скрепили» их короткими нитями синтетической ДНК.Сначала они соединили две жесткие «планки» ДНК с помощью гибких скоб вдоль одного края, чтобы создать простой шарнир. Кастро сравнил этот процесс с «соединением двух деревянных 2×4 очень короткими кусками веревки вдоль 4-дюймового края на одном конце».Они также создали систему, которая перемещала поршень внутри цилиндра.
В этой машине использовались пять досок, три петли и две трубки разного диаметра — все они были сделаны из кусочков двухцепочечной и одноцепочечной ДНК.Чтобы проверить, правильно ли двигались машины, они изучали их с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Они также пометили ДНК флуоресцентными метками, чтобы можно было наблюдать за изменениями формы с помощью спектрофлуориметра. Тесты подтвердили, что петли открывались и закрывались, а поршень двигался вперед и назад — и что исследователи могли контролировать движение, добавляя в раствор химические сигналы, такие как дополнительные нити ДНК.
Такой подход, заключающийся в создании простых суставов и соединении их вместе для создания более сложных рабочих систем, является обычным в конструкции макроскопических машин, но это первый раз, когда это было сделано с помощью ДНК — и впервые кто-то настроил ДНК для обеспечения обратимого срабатывания механизма. сложный механизм.Исследовательская группа в настоящее время работает над расширением конструкции механизмов для настройки машин, а также попытается расширить производство машин для дальнейшего развития.