Een team van wetenschappers van de Columbia University, Staatsuniversiteit van Arizona, de Universiteit van Michigan, en het California Institute of Technology (Caltech) hebben een autonome moleculaire "robot" gemaakt van DNA geprogrammeerd om te starten, Actie, draai, en stop tijdens het volgen van een DNA-spoor.

De ontwikkeling zou uiteindelijk kunnen leiden tot moleculaire systemen die op een dag kunnen worden gebruikt voor medische therapeutische apparaten en herconfigureerbare robots op moleculaire schaal - robots die zijn gemaakt van veel eenvoudige eenheden die zichzelf kunnen herpositioneren of zelfs opnieuw kunnen opbouwen om verschillende taken uit te voeren.

Een paper waarin het werk wordt beschreven, verschijnt in het huidige nummer van het tijdschrift Natuur .

De traditionele opvatting van een robot is dat het "een machine is die zijn omgeving waarneemt, neemt een besluit, en dan iets doet - het handelt, " zegt Erik Winfree, universitair hoofddocent informatica, berekeningen en neurale systemen, en bio-engineering bij Caltech.

Milaan N. Stojanovic, een faculteitslid in de afdeling Experimentele Therapeutica aan de Columbia University, leidde het project en werkte samen met Winfree en Hao Yan, hoogleraar scheikunde en biochemie aan de Arizona State University en een expert in DNA-nanotechnologie, en met Nils G. Walter, hoogleraar scheikunde en directeur van het Single Molecule Analysis in Real-Time (SMART) Center aan de Universiteit van Michigan in Ann Arbor, voor wat een moderne zelfassemblage werd van gelijkgestemde wetenschappers met de complementaire expertisegebieden die nodig zijn om een ​​moeilijk probleem aan te pakken.

Het verkleinen van robots tot op moleculaire schaal zou zorgen voor, voor moleculaire processen, dezelfde soorten voordelen die klassieke robotica en automatisering bieden op macroscopische schaal. moleculaire robots, in theorie, kunnen worden geprogrammeerd om hun omgeving waar te nemen (zeg, de aanwezigheid van ziektemarkers op een cel), een beslissing nemen (dat de cel kankerachtig is en moet worden geneutraliseerd), en handelen naar die beslissing (lever een lading kankerdodende medicijnen).

Of, zoals de robots in een moderne fabriek, ze kunnen worden geprogrammeerd om complexe moleculaire producten samen te stellen. De kracht van robotica ligt in het feit dat, eenmaal geprogrammeerd, de robots kunnen hun taken autonoom uitvoeren, zonder verdere menselijke tussenkomst.

Met die belofte, echter, komt een praktisch probleem:hoe programmeer je een molecuul om complex gedrag uit te voeren?

"In normale robotica, de robot zelf bevat de kennis over de commando's, maar met individuele moleculen, je kunt die hoeveelheid informatie niet opslaan, dus het idee is om informatie over de commando's aan de buitenkant op te slaan, " zegt Walter. En dat doe je, zegt Stojanovic, "door de omgeving van het molecuul te voorzien van informatieve aanwijzingen."

"We waren in staat om zo'n geprogrammeerde of 'voorgeschreven' omgeving te creëren met behulp van DNA-origami, " legt Yan uit. DNA-origami, een uitvinding van Caltech Senior Research Associate Paul W.K. Rothemund, is een soort zelf-geassembleerde structuur gemaakt van DNA die kan worden geprogrammeerd om bijna onbeperkte vormen en patronen te vormen (zoals smileygezichten of kaarten van het westelijk halfrond of zelfs elektrische diagrammen). De sequentieherkenningseigenschappen van DNA-basenparen benutten, DNA-origami wordt gemaakt van een lange enkele DNA-streng en een mengsel van verschillende korte synthetische DNA-strengen die binden aan en het lange DNA "nieten" in de gewenste vorm. De origami die in de Natuur studie was een rechthoek die 2 nanometer (nm) dik was en ongeveer 100 nm aan elke kant.

De onderzoekers construeerden een spoor van moleculaire "broodkruimels" op het DNA-origamispoor door extra enkelstrengs DNA-moleculen aan elkaar te rijgen, of oligonucleotiden, van de uiteinden van de nietjes. Deze vertegenwoordigen de signalen die de moleculaire robots vertellen wat ze moeten doen:starten, wandelen, sla linksaf, sla rechtsaf, of stoppen, bijvoorbeeld, vergelijkbaar met de opdrachten die aan traditionele robots worden gegeven.

De moleculaire robot die de onderzoekers kozen - ook wel een 'spin' genoemd - is enkele jaren geleden uitgevonden door Stojanovic, op welk moment werd aangetoond dat het kan worden verlengd, maar ongericht, willekeurige wandelingen op tweedimensionale oppervlakken, eten door een veld met broodkruimels.

Om de moleculaire robot met een diameter van 4 nm te bouwen, de onderzoekers begonnen met een veelvoorkomend eiwit genaamd streptavidine, die vier symmetrisch geplaatste bindingszakken heeft voor een chemische groep die biotine wordt genoemd. Elke robotpoot is een korte biotine-gelabelde DNA-streng, "dus op deze manier kunnen we tot vier poten aan het lichaam van onze robot binden, " zegt Walter. "Het is een vierpotige spin, " grapt Stojanovic. Drie van de poten zijn gemaakt van enzymatisch DNA, dat is DNA dat bindt aan een bepaalde DNA-sequentie en deze knipt. De spin is ook uitgerust met een "startstreng" - de vierde poot - die de spin aan de startplaats vastbindt (een bepaald oligonucleotide op het DNA-origamispoor). "Nadat de robot door een triggerstreng van zijn startplaats is losgelaten, het volgt het spoor door zich te binden aan en vervolgens de DNA-strengen af ​​te snijden die zich uitstrekken van de stapelstrengen op het moleculaire spoor, " legt Stojanovic uit.

"Als het eenmaal gespleten is, " voegt Jan toe, "het product zal dissociëren, en de poot gaat op zoek naar het volgende substraat." de spin wordt langs het pad geleid dat door de onderzoekers is uitgestippeld. Eindelijk, legt Jan uit, "de robot stopt wanneer hij een stukje DNA tegenkomt waaraan hij zich kan binden, maar die hij niet kan knippen, " die als een soort vliegenpapier fungeert.

Hoewel er al eerder andere DNA-walkers zijn ontwikkeld, ze hebben zich nooit verder gewaagd dan ongeveer drie stappen. "Deze, " zegt Jan, "kan tot ongeveer 100 nanometer lopen. Dat zijn ongeveer 50 stappen."

"Dit was op zich geen verrassing, " voegt Winfree toe, "Aangezien het originele werk van Milaan suggereerde dat spinnen honderden, zo niet duizenden processtappen kunnen nemen. Wat hier opwindend is, is dat we niet alleen de meerstapsbeweging van de spinnen direct kunnen bevestigen, maar we kunnen de spinnen een specifiek pad laten volgen, en ze doen het allemaal zelf - autonoom."

In feite, met behulp van atoomkrachtmicroscopie en fluorescentiemicroscopie met één molecuul, de onderzoekers konden direct zien hoe spinnen over de origami kropen, waaruit blijkt dat ze hun moleculaire robots konden leiden om vier verschillende paden te volgen.

"Dit controleren op een enkel molecuulniveau is een hele uitdaging, ", zegt Walter. "Daarom hebben we een interdisciplinair, operatie met meerdere instellingen. We hebben mensen die de spin bouwen, kenmerkend voor de basisspin. We hebben de mogelijkheid om de baan te monteren, en analyseer het systeem met beeldvorming met één molecuul. Dat is de technische uitdaging." De wetenschappelijke uitdagingen voor de toekomst, Jan zegt, "zijn hoe je de spin sneller kunt laten lopen en hoe je hem programmeerbaarder kunt maken, zodat het veel commando's op de baan kan volgen en meer beslissingen kan nemen, logisch gedrag implementeren."

“In het huidige systeem " zegt Stojanovic, "interacties zijn beperkt tot de wandelaar en de omgeving. Onze volgende stap is om een ​​tweede wandelaar toe te voegen, zodat de wandelaars direct en via de omgeving met elkaar kunnen communiceren. De spinnen zullen samenwerken om een ​​doel te bereiken." Voegt Winfree toe, "De sleutel is hoe te leren om gedrag op een hoger niveau te programmeren door middel van interacties op een lager niveau."

Een dergelijke samenwerking zou uiteindelijk de basis kunnen vormen voor de ontwikkeling van herconfigureerbare robots op moleculaire schaal - ingewikkelde machines die zijn gemaakt van vele eenvoudige eenheden die zichzelf in elke vorm kunnen reorganiseren - om verschillende taken uit te voeren, of repareren zichzelf als ze breken. Bijvoorbeeld, het is mogelijk om de robots in te zetten voor medische toepassingen. "Het idee is om moleculaire robots een structuur te laten bouwen of beschadigde weefsels te laten repareren. ', zegt Stojanovic.

"Je kunt je voorstellen dat de spin een medicijn draagt ​​en zich hecht aan een tweedimensionaal oppervlak zoals een celmembraan, het vinden van de receptoren en, afhankelijk van de lokale omgeving, " voegt Jan toe, "triggeren de activering van dit medicijn."

dergelijke toepassingen, terwijl intrigerend, zijn tientallen jaren of meer weg. "Dit kan in de toekomst 100 jaar zijn, "Zegt Stojanovic. "Daar zijn we nu nog zo ver vanaf."

"Maar, "Walter voegt eraan toe, "net zoals onderzoekers tegenwoordig zelf bijeenkomen om een ​​moeilijk probleem op te lossen, moleculaire nanorobots kunnen dit in de toekomst mogelijk doen."