Работа была сделана в лаборатории Лулу Цянь, доцента биоинженерии. Это появляется в газете в выпуске 15 сентября Науки.
Почему наноличинки?«Точно так же, как электромеханические роботы отосланы к далеким местам, как Марс, мы хотели бы послать молекулярные роботы в крохотные места, куда люди не могут пойти, такие как кровоток», говорит Цянь. «Наша цель состояла в том, чтобы проектировать и построить молекулярный робот, который мог выполнить сложную наномеханическую задачу: грузовая сортировка».Как построить молекулярный роботВо главе с бывшим аспирантом Анупамой Тубэджером (доктор философии ’17), исследователи построили три основных стандартных блока, которые могли использоваться, чтобы собрать робот ДНК: «нога» двумя «ногами» для ходьбы, «рукой» и «рукой» для того, чтобы взять груз и сегмент, который может признать, что определенный пункт высадки и сигнал к руке выпускают свой груз.
Каждый из этих компонентов сделан всего из нескольких нуклеотидов в единственном береге ДНК.В принципе эти модульные стандартные блоки могли быть собраны многими различными способами выполнить различные задачи – робот ДНК с несколькими кистями и руками, например, мог использоваться, чтобы нести многократные молекулы одновременно.В работе, описанной в научной работе, группа Цяня построила робот, который мог исследовать молекулярную поверхность, взять две различных молекулы – флуоресцентную желтую краску и флуоресцентную розовую краску – и затем распределить их двум отличным регионам на поверхности.
Используя флуоресцентные молекулы, позволенные исследователей, чтобы видеть, оказались ли молекулы в своих намеченных местоположениях. Робот успешно сортировал шесть рассеянных молекул, три розовых и три желтых, в их правильные места за 24 часа.
Добавление большего количества роботов на поверхность сократило время, которое потребовалось, чтобы выполнить задачу.«Хотя мы продемонстрировали робот для этой определенной задачи, то же самое системное проектирование может быть обобщено, чтобы работать с десятками типов грузов в любом произвольном начальном местоположении на поверхности», говорит Тубэджер. «Можно было также иметь многократные роботы, выполняющие разнообразные задачи сортировки параллельно».Дизайн через ДНККлюч к проектированию машин ДНК является тем, что у ДНК есть уникальные химические и физические свойства, которые известны и программируемы.
Единственный берег ДНК составлен из четырех различных молекул, названных нуклеотидами – сократил A, G, C, и T – и договорился в последовательности, названной последовательностью. Эти нуклеотиды связь в определенных парах: с T и G с C. Когда единственный берег сталкивается с так называемой обратной комплементарной нитью – например, CGATT и AATCG – два почтовых индекса берегов вместе в классической двойной форме спирали.Единственный берег, содержащий правильные нуклеотиды, может вынудить два частично застегнутых берега расстегнуть молнию друг от друга.
Как быстро каждое архивирование и расстегивание молнии на событии происходят и каким количеством энергия, которую это расходует, может быть оценена для любой данной последовательности ДНК, позволив исследователям управлять, как быстро робот перемещается и сколько энергии это использует, чтобы выполнить задачу. Кроме того, длина единственного берега или двух застегнутых берегов может быть вычислена. Таким образом нога робота ДНК может быть разработана для желаемого размера шага – в этом случае, 6 миллимикронов, который является приблизительно одной стамиллионной размера шага человека.
Используя эти химические и физические принципы, исследователи могут проектировать не только роботы, но также и «детские площадки», такие как молекулярный pegboards, чтобы проверить их на. В текущей работе робот ДНК перемещается на 58 миллимикронах на 58 миллимикронов pegboard, на котором ориентиры сделаны из единственных берегов ДНК, дополнительной к ноге робота.
Робот связывает с ориентиром с его ногой и одной из его ног – другая нога плавает свободно. Когда случайные молекулярные колебания заставляют эту свободную ногу сталкиваться с соседним ориентиром, она тянет робот к новому ориентиру, и его другая нога освобождена. Этот процесс продолжает робот, перемещающийся в случайном направлении в каждом шаге.
Может потребоваться день для робота, чтобы исследовать всю доску. По пути, поскольку робот сталкивается с грузовыми молекулами, ограниченными ориентирами, он захватывает их со своими «ручными» компонентами и несет их вокруг, пока он не обнаруживает сигнал пункта высадки. Процесс медленный, но он допускает очень простой дизайн робота, который использует очень мало химической энергии.
Футуристические заявления«Мы не разрабатываем роботы ДНК ни для каких определенных заявлений. Наша лаборатория сосредотачивается на обнаружении технических принципов, которые позволяют разработку роботов ДНК общего назначения», говорит Цянь. «Однако это – моя надежда, что другие исследователи могли использовать эти принципы для захватывающих заявлений, таких как использование робота ДНК для синтезирования терапевтического химиката от его составных частей на искусственной молекулярной фабрике, поставка препарата только, когда определенный сигнал дан в кровотоках или клетках или сортировке молекулярных компонентов в мусоре для переработки».