Stel je een robot voor die je kan helpen je huis op te ruimen:ronddwalen, verdwaalde sokken in de was en vuile vaat in de vaatwasser sorteren. Hoewel zo'n praktische helper misschien nog steeds het spul van sciencefiction is, Caltech-wetenschappers hebben een autonome moleculaire machine ontwikkeld die vergelijkbare taken kan uitvoeren - op nanoschaal. Deze "robot, " gemaakt van een enkele streng DNA, kan autonoom rond een oppervlak "lopen", haal bepaalde moleculen op en zet ze af op aangewezen locaties.

Het werk werd gedaan in het laboratorium van Lulu Qian, assistent-professor bio-engineering. Het verschijnt in een krant in het nummer van 15 september van Wetenschap .

Waarom Nanobots?

"Net zoals elektromechanische robots naar verre oorden worden gestuurd, zoals Mars, we willen moleculaire robots sturen naar minuscule plekken waar mensen niet kunnen komen, zoals de bloedbaan, ", zegt Qian. "Ons doel was om een ​​moleculaire robot te ontwerpen en te bouwen die een geavanceerde nanomechanische taak zou kunnen uitvoeren:vrachtsortering."

Hoe een moleculaire robot te bouwen

Onder leiding van oud-afstudeerstudent Anupama Thubagere (PhD '17), de onderzoekers construeerden drie basisbouwstenen die konden worden gebruikt om een ​​DNA-robot in elkaar te zetten:een "been" met twee "voeten" om te lopen, een "arm" en "hand" voor het oppakken van vracht, en een segment dat een specifiek afzetpunt kan herkennen en een signaal naar de hand kan geven om de lading vrij te geven. Elk van deze componenten is gemaakt van slechts een paar nucleotiden binnen een enkele DNA-streng.

In principe, deze modulaire bouwstenen kunnen op veel verschillende manieren worden geassembleerd om verschillende taken uit te voeren:een DNA-robot met meerdere handen en armen, bijvoorbeeld, kunnen worden gebruikt om meerdere moleculen tegelijk te vervoeren.

In het werk beschreven in de Science paper, de Qian-groep bouwde een robot die een moleculair oppervlak kon verkennen, pak twee verschillende moleculen op - een fluorescerende gele kleurstof en een fluorescerende roze kleurstof - en verdeel ze vervolgens over twee verschillende gebieden op het oppervlak. Met behulp van fluorescerende moleculen konden de onderzoekers zien of de moleculen op de beoogde locaties terechtkwamen. De robot sorteerde met succes zes verspreide moleculen, drie roze en drie geel, binnen 24 uur op hun juiste plaats. Door meer robots aan het oppervlak toe te voegen, werd de tijd die nodig was om de taak te voltooien, verkort.

"Hoewel we een robot voor deze specifieke taak hebben gedemonstreerd, hetzelfde systeemontwerp kan worden gegeneraliseerd om te werken met tientallen soorten ladingen op elke willekeurige initiële locatie op het oppervlak, ", zegt Thubagere. "Je kunt ook meerdere robots verschillende sorteertaken parallel laten uitvoeren."

Ontwerp door DNA

De sleutel tot het ontwerpen van DNA-machines is het feit dat DNA unieke chemische en fysische eigenschappen heeft die bekend en programmeerbaar zijn. Een enkele DNA-streng bestaat uit vier verschillende moleculen die nucleotiden worden genoemd - afgekort A, G, C, en T - en gerangschikt in een reeks die een reeks wordt genoemd. Deze nucleotiden binden in specifieke paren:A met T, en G met C. Wanneer een enkele streng een zogenaamde omgekeerde complementaire streng tegenkomt, bijvoorbeeld CGATT en AATCG - de twee strengen ritsen samen in de klassieke dubbele helixvorm.

Een enkele streng die de juiste nucleotiden bevat, kan ervoor zorgen dat twee gedeeltelijk gecomprimeerde strengen uit elkaar worden geritst. Hoe snel elke gebeurtenis van het in- en uitpakken plaatsvindt en hoeveel energie het verbruikt, kan worden geschat voor een bepaalde DNA-sequentie, waardoor onderzoekers kunnen bepalen hoe snel de robot beweegt en hoeveel energie hij gebruikt om een ​​taak uit te voeren. Aanvullend, de lengte van een enkele streng of twee geritste strengen kan worden berekend. Dus, het been en de voet van een DNA-robot kunnen worden ontworpen voor een gewenste stapgrootte - in dit geval 6 nanometer, dat is ongeveer een honderd miljoenste van de stapgrootte van een mens.

Met behulp van deze chemische en fysische principes, onderzoekers kunnen niet alleen robots ontwerpen, maar ook "speeltuinen, " zoals moleculaire pegboards, om ze op te testen. In het huidige werk de DNA-robot beweegt rond op een pegboard van 58 nanometer bij 58 nanometer waarop de pinnen zijn gemaakt van enkele DNA-strengen die complementair zijn aan het been en de voet van de robot. The robot binds to a peg with its leg and one of its feet—the other foot floats freely. When random molecular fluctuations cause this free foot to encounter a nearby peg, it pulls the robot to the new peg and its other foot is freed. This process continues with the robot moving in a random direction at each step.

It may take a day for a robot to explore the entire board. Onderweg, as the robot encounters cargo molecules tethered to pegs, it grabs them with its "hand" components and carries them around until it detects the signal of the drop-off point. The process is slow, but it allows for a very simple robot design that utilizes very little chemical energy.

Futuristic Applications

"We don't develop DNA robots for any specific applications. Our lab focuses on discovering the engineering principles that enable the development of general-purpose DNA robots, " says Qian. "However, it is my hope that other researchers could use these principles for exciting applications, such as using a DNA robot for synthesizing a therapeutic chemical from its constituent parts in an artificial molecular factory, delivering a drug only when a specific signal is given in bloodstreams or cells, or sorting molecular components in trash for recycling."