Onderzoekers hebben een magnetisch controlesysteem bedacht om kleine op DNA gebaseerde robots on-demand te laten bewegen - en veel sneller dan onlangs mogelijk was.

In het journaal Natuurcommunicatie , Carlos Castro en Ratnasingham Sooryakumar en hun collega's van de Ohio State University melden dat het besturingssysteem de reactietijd van prototype nano-robotcomponenten van enkele minuten tot minder dan een seconde heeft teruggebracht.

De ontdekking betekent niet alleen een aanzienlijke snelheidsverbetering, dit werk en een andere recente studie luiden de eerste directe, realtime controle van op DNA gebaseerde moleculaire machines.

De ontdekking zou nano-robots op een dag in staat kunnen stellen om objecten, zoals apparaten voor het afleveren van medicijnen, net zo snel en betrouwbaar te maken als hun tegenhangers op ware grootte. Eerder, onderzoekers konden DNA alleen indirect verplaatsen, door chemische reacties op te wekken om het op bepaalde manieren te bewegen, of het introduceren van moleculen die het DNA herconfigureren door eraan te binden. Die processen kosten tijd.

"Stel je voor dat een robot in een fabriek iets moet doen en vijf minuten moet wachten voordat hij een enkele stap van een taak uitvoert. Dat was het geval met eerdere methoden voor het besturen van DNA-nanomachines, " zei Castro, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek.

"Real-time manipulatiemethoden zoals onze magnetische benadering stellen wetenschappers in staat om te interageren met DNA-nano-apparaten, en op hun beurt interageren met moleculen en moleculaire systemen die in realtime aan die nano-apparaten kunnen worden gekoppeld met directe visuele feedback."

In eerder werk, Het team van Castro gebruikte een techniek genaamd DNA-origami om individuele DNA-strengen te vouwen om eenvoudige microscopische hulpmiddelen zoals rotoren en scharnieren te vormen. Ze bouwden zelfs een "Trojaans paard" uit DNA voor het afleveren van medicijnen aan kankercellen.

Voor deze nieuwe studie de onderzoekers werkten samen met Ratnasingham Sooryakumar, hoogleraar natuurkunde. Eerder ontwikkelde hij microscopisch magnetisch 'pincet' voor het verplaatsen van biologische cellen in biomedische toepassingen zoals gentherapie. Het pincet was eigenlijk gemaakt van groepen magnetische deeltjes die synchroon bewogen om de cellen te duwen waar mensen ze wilden hebben.

Die magnetische deeltjes, terwijl onzichtbaar voor het blote oog, nog vele malen groter waren dan een van Castro's nanomachines, Sooryakumar uitgelegd.

"We hadden een manier ontdekt om de kracht van magnetische krachten te benutten om de microscopische wereld te onderzoeken - een verborgen wereld van verbazingwekkende complexiteit, " zei hij. "Maar we wilden de overgang maken van de microwereld naar de nanowereld. Dit leidde tot de samenwerking met Dr. Castro. De uitdaging was om de functionaliteit van onze deeltjes duizendvoudig te verkleinen, koppel ze aan precieze locaties op de bewegende delen van de machines en neem fluorescerende moleculen op als bakens om de machines te volgen terwijl ze bewegen."

Voor deze studie is het team bouwde hengels, rotoren en scharnieren met behulp van DNA-origami. Vervolgens gebruikten ze stijve DNA-hefbomen om de nanoscopische componenten te verbinden met miniatuurkralen gemaakt van polystyreen geïmpregneerd met magnetisch materiaal. Door een magnetisch veld aan te passen, ze ontdekten dat ze de deeltjes konden bevelen om componenten heen en weer te zwaaien of ze te roteren. De componenten voerden de opgedragen bewegingen in minder dan een seconde uit.

Bijvoorbeeld, de nano-rotor was in staat om in ongeveer een seconde 360 ​​graden rond te draaien met continu gecontroleerde beweging aangedreven door een roterend magnetisch veld. Het nano-scharnier kon in 0,4 seconden worden gesloten of geopend, of onder een bepaalde hoek gehouden met een precisie van 8 graden.

Deze bewegingen hadden enkele minuten kunnen duren als ze met traditionele methoden waren uitgevoerd, zei Castro. Hij stelt zich voor dat complexe nanomaterialen of biomoleculaire complexen ooit zouden kunnen worden vervaardigd in op DNA gebaseerde nanofabrieken die hun lokale omgeving detecteren en erop reageren.

De studie liet lang op zich wachten:de onderzoekers besloten jaren geleden om het magnetische platform van Sooryakumar samen te voegen met de DNA-apparaten van Castro. "Het kostte veel toegewijde werk van verschillende studenten om dat idee te realiseren, en we zijn verheugd om daarop voort te bouwen. Deze studie toont een opwindende vooruitgang aan die alleen mogelijk was met deze interdisciplinaire samenwerking", aldus Castro.