Als de nieuwe nanomachines gebouwd aan de Ohio State University je bekend voorkomen, het is omdat ze zijn ontworpen met mechanische onderdelen op ware grootte, zoals scharnieren en zuigers in gedachten.

Het project is het eerste dat aantoont dat dezelfde basisontwerpprincipes die van toepassing zijn op typische machineonderdelen op ware grootte, ook kunnen worden toegepast op DNA - en complexe, bestuurbare componenten voor toekomstige nanorobots.

In een artikel dat deze week in de Proceedings van de National Academy of Sciences , Mechanische ingenieurs van Ohio State beschrijven hoe ze een combinatie van natuurlijk en synthetisch DNA gebruikten in een proces dat 'DNA-origami' wordt genoemd om machines te bouwen die taken herhaaldelijk kunnen uitvoeren.

"De natuur heeft ongelooflijk complexe moleculaire machines voortgebracht op nanoschaal, en een belangrijk doel van bio-nanotechnologie is om hun functie synthetisch te reproduceren, " zei projectleider Carlos Castro, universitair docent werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek. "Waar de meeste onderzoeksgroepen dit probleem benaderen vanuit een biomimetisch standpunt - waarbij we de structuur van een biologisch systeem nabootsen - hebben we besloten om voor inspiratie gebruik te maken van het gevestigde veld van macroscopisch machineontwerp."

"In essentie, we gebruiken een biomoleculair systeem om grootschalige technische systemen na te bootsen om hetzelfde doel te bereiken, namelijk het ontwikkelen van moleculaire machines, " hij zei.

uiteindelijk, de technologie zou complexe nanorobots kunnen creëren om medicijnen in het lichaam af te leveren of biologische metingen op nanoschaal uit te voeren, naast vele andere toepassingen. Net als de fictieve "Transformers, " een DNA-origami-machine kan van vorm veranderen voor verschillende taken.

"Ik ben behoorlijk opgewonden door dit idee, " zei Castro. "Ik denk dat we uiteindelijk zoiets als een Transformer-systeem kunnen bouwen, hoewel misschien niet helemaal zoals in de films. Ik zie het meer als een nanomachine die signalen kan detecteren zoals de binding van een biomolecuul, informatie verwerken op basis van die signalen, en dan dienovereenkomstig reageren - misschien door een kracht te genereren of van vorm te veranderen."

De DNA-origami-methode voor het maken van nanostructuren wordt sinds 2006 veel gebruikt, en is nu een standaardprocedure voor veel laboratoria die toekomstige medicijnafgiftesystemen en elektronica ontwikkelen. Het houdt in dat je lange strengen DNA neemt en ze overhaalt om in verschillende vormen te vouwen, vervolgens bepaalde delen aan elkaar vastmaken met "nietjes" gemaakt van kortere DNA-strengen. De resulterende structuur is stabiel genoeg om een ​​basistaak uit te voeren, zoals het dragen van een kleine hoeveelheid medicijn in een containerachtige DNA-structuur en het openen van de container om het vrij te geven.

Om complexere nanomachines te maken die dergelijke taken herhaaldelijk kunnen uitvoeren, Castro sloot zich aan bij Haijun Su, ook een assistent-professor mechanische en ruimtevaarttechniek aan de staat Ohio. gecombineerd, de twee onderzoeksteams hebben expertise in nanotechnologie, biomechanica, machinebouw en robotica.

Castro zei dat er twee sleutels zijn tot hun unieke benadering voor het ontwerpen en besturen van de beweging van de machines. De eerste betreft het flexibel maken van bepaalde delen van de constructie. Ze maken flexibele onderdelen van enkelstrengs DNA, en stijvere delen van dubbelstrengs DNA.

De tweede sleutel omvat het "afstemmen" van de DNA-structuren, zodat de bewegingen van de machines omkeerbaar en herhaalbaar zijn. De onderzoekers stippen hun structuren aan met synthetische DNA-strengen die als de luifel van een dak aan de randen hangen. In plaats van delen van de machine permanent samen te voegen, deze strengen zijn ontworpen om te werken als stroken klittenband - ze plakken aan elkaar of laten los, afhankelijk van chemische signalen uit de omgeving van de machine.

In het labortorium, promovendi Alexander Marras en Lifeng Zhou namen lange strengen DNA van een bacteriofaag - een virus dat bacteriën infecteert en onschadelijk is voor mensen - en "nieten" ze samen met korte strengen synthetisch DNA.

Eerst, ze verbonden twee stijve DNA-"planken" met flexibele nietjes langs een rand om een ​​eenvoudig scharnier te creëren. Castro vergeleek het proces met "het verbinden van twee houten 2x4's met zeer korte stukjes touw langs de 4-inch rand aan het ene uiteinde."

Ze bouwden ook een systeem dat een zuiger in een cilinder bewoog. Die machine gebruikte vijf planken, drie scharnieren en twee buizen met verschillende diameters - allemaal gemaakt van stukjes dubbelstrengs en enkelstrengs DNA.

Om te testen of de machines goed bewogen, ze beeldden ze af met transmissie-elektronenmicroscopie. Ze labelden het DNA ook met fluorescerende tags, zodat ze de vormveranderingen konden observeren met een spectrofluorometer. Tests bevestigden dat de scharnieren open en dicht gingen en dat de zuiger heen en weer bewoog - en dat onderzoekers de beweging konden controleren door chemische aanwijzingen aan de oplossing toe te voegen. zoals extra strengen DNA.

Deze benadering van het ontwerpen van eenvoudige verbindingen en deze met elkaar verbinden om complexere werkende systemen te maken, is gebruikelijk in macroscopisch machineontwerp, maar dit is de eerste keer dat het met DNA is gedaan - en de eerste keer dat iemand het DNA heeft afgestemd om een ​​omkeerbare activering van een complex mechanisme te produceren.

Het onderzoeksteam werkt nu aan het uitbreiden van het ontwerp van mechanismen voor het afstemmen van de machines, en ze zullen ook proberen de productie van de machines op te schalen voor verdere ontwikkeling.