Alleen in de kankergeneeskunde streven clinici ernaar om legioenen van de eigen cellen van een patiënt aan te vallen en te doden. Maar gezonde cellen van omstanders raken vaak verstrikt in dodelijk kruisvuur, daarom kunnen kankerbehandelingen bij patiënten ernstige bijwerkingen veroorzaken.

Onderzoekers zoeken slimmere medicijnen om zich alleen op de slechteriken te richten. Eén hoop is dat kleine robots ter grootte van een miljardste meter te hulp kunnen komen, het rechtstreeks afleveren van medicijnen aan malafide kankercellen. Om deze nanorobots te maken, onderzoekers in Europa wenden zich tot de basisbouwstenen van het leven:DNA.

Vandaag, robots zijn er in alle soorten en maten. Een van de sterkste industriële robots kan auto's met een gewicht van meer dan twee ton optillen. Maar materialen als silicium zijn op de kleinste schalen niet zo geschikt.

Hoewel je hele kleine patronen kunt maken in massief silicium, je kunt niet echt mechanische apparaten maken onder de 100 nanometer, zegt professor Kurt Gothelf, scheikundige en DNA-nanotechnoloog aan de Universiteit van Aarhus in Denemarken. Dat is waar DNA om de hoek komt kijken. "De diameter van de DNA-helix is ​​slechts twee nanometer, " zegt prof. Gothelf. Een rode bloedcel is ongeveer 6, 000 nanometer breed.

Lego

Dr. Tania Patino, een nanotechnoloog aan de Universiteit van Rome in Italië, zegt dat DNA is als Lego. "Je hebt deze kleine bouwstenen en je kunt ze samenvoegen om elke gewenste vorm te creëren, " legde ze uit. Om de analogie voort te zetten, DNA komt in vier verschillende gekleurde blokken en twee van de kleuren paren tegenover elkaar. Dit maakt ze voorspelbaar.

Zodra je een rij DNA-blokken aan elkaar rijgt, een andere lijn zal tegenover elkaar paren. Wetenschappers hebben geleerd hoe ze DNA zo aan elkaar kunnen rijgen dat er spleten en bochten ontstaan. "Door slim ontwerp, je vertakt DNA-strengen zodat je nu drie dimensies hebt, " zei Prof Gothelf. "Het is heel gemakkelijk te voorspellen hoe het vouwt."

Dr. Patiño ontwikkelt zelfrijdende DNA-nanorobotica in haar project, DNA-bots. "DNA is zeer afstembaar, " zei ze. "We kunnen software hebben die ons laat zien welke reeksen welke vorm produceren. Dit is niet mogelijk met andere materialen op deze kleine schaal."

Hoewel DNA-nanorobots nog lang niet bij mensen worden gebruikt, waarbij prof. Gothelf zei dat 'we de komende tien jaar geen medicijnen zullen zien die hierop zijn gebaseerd, Er wordt vooruitgang geboekt in het lab. Nu al kunnen wetenschappers een DNA-streng uit een virus halen, en ontwerp vervolgens met behulp van software kortere stukken DNA om te paren met en de string in een gewenste vorm te buigen. "Deze verbazingwekkende techniek wordt DNA-origami genoemd, " zei prof. Gothelf. Het stelt wetenschappers in staat om 3D-bots te maken die zijn gemaakt van DNA.

Bij een vroege doorbraak Het onderzoekslab van prof. Gothelf maakte een DNA-doosje met een deksel dat open kon. Later, een andere groep bouwde een tonvormige robot die kon openen wanneer hij kankereiwitten herkende, en maken antilichaamfragmenten vrij. Deze strategie wordt gevolgd zodat op een dag een DNA-robot een tumor zou kunnen naderen, bind je eraan en laat zijn moordende lading los.

"Met nanorobots zouden we een meer specifieke levering aan een tumor kunnen hebben, " zei Dr. Patiño. "We willen niet dat onze medicijnen aan het hele lichaam worden afgegeven." Ze is in het laboratorium van professor Francesco Ricci, die werkt op DNA-apparaten voor de detectie van antilichamen en de levering van medicijnen.

In de tussentijd, het netwerk Prof. Gothelf leidt, DNA-robotica, leidt jonge wetenschappers op om onderdelen te maken voor DNA-robotica die bepaalde handelingen kunnen uitvoeren. Prof. Gothelf werkt aan een 'bout en kabel' die lijkt op een handrem op een fiets, waar kracht op de ene plaats een verandering teweegbrengt in een ander deel van de DNA-robot. Een cruciaal idee in het netwerk is om 'plug and play, " wat betekent dat alle gebouwde onderdelen compatibel zullen zijn in een toekomstige robot.

Bloedstroom

Naast het uitvoeren van specifieke functies, de meeste robots kunnen bewegen. DNA-robots zijn te minuscuul om tegen onze bloedbaan in te zwemmen, maar het is nog steeds mogelijk om er nuttige kleine motoren in te bouwen met behulp van enzymen.

Dr. Patiño ontwikkelde eerder een DNA-nanoschakelaar die de zuurgraad van zijn omgeving kon voelen. Haar DNA-apparaat werkte ook als een zelfrijdende micromotor dankzij een enzym dat reageerde met gewone urease-moleculen die in ons lichaam worden aangetroffen en fungeerde als een krachtbron. "De chemische reactie kan voldoende energie produceren om beweging te genereren, " zei dr. Patiño.

Beweging is belangrijk om nanorobots te krijgen waar ze moeten zijn. "We zouden deze robots in de blaas kunnen injecteren en ze oogsten de chemische energie met behulp van urease en bewegen, " zei Dr. Patiño. In de toekomst zal een dergelijke beweging 'hen helpen om een ​​tumor of een ziekteplaats met meer efficiëntie te behandelen dan passieve nanodeeltjes, die niet kan bewegen." Onlangs Patiño en anderen meldden dat nanodeeltjes uitgerust met nanomotoren zich gelijkmatiger verspreiden dan immobiele deeltjes wanneer ze in de blaas van muizen worden geïnjecteerd.

In plaats van door bloed te zwemmen, nanobots kunnen mogelijk door barrières in ons lichaam gaan. De meeste problemen met het toedienen van medicijnen zijn te wijten aan deze biologische barrières, zoals slijmvlieslagen, merkt Dr. Patiño op. De barrières zijn er om ziektekiemen tegen te houden, maar vaak medicijnen blokkeren. De zelfrijdende DNA-robots van Dr. Patiño kunnen de doorlaatbaarheid van deze barrières veranderen of er gewoon doorheen rijden.

Stabiliteit

Nanodeeltjes kunnen uit de blaas van een patiënt worden verdreven, maar deze optie is elders in het lichaam niet zo gemakkelijk, waar biologisch afbreekbare robots die zichzelf vernietigen nodig kunnen zijn. DNA is een ideaal materiaal, omdat het gemakkelijk in ons wordt afgebroken. Maar dit kan ook een nadeel zijn, omdat het lichaam snel een DNA-bot kan opeten voordat het de klus geklaard heeft. Wetenschappers werken aan het coaten of camoufleren van DNA en het versterken van chemische bindingen om de stabiliteit te vergroten.

Een ander potentieel nadeel is dat naakte stukjes DNA door het immuunsysteem kunnen worden gezien als tekenen van bacteriële of virale vijanden. Dit kan een ontstekingsreactie veroorzaken. tot nu toe, er is nog nooit een DNA-nanobot in een persoon geïnjecteerd. Niettemin, Prof. Gothelf is ervan overtuigd dat wetenschappers deze problemen kunnen omzeilen.

Inderdaad, stabiliteit en immuunreactie waren obstakels die de ontwikkelaars van mRNA-vaccins - die genetische instructies in het lichaam in een nanodeeltje afgeven - moesten overwinnen. "De Moderna- en de Pfizer (BioNTech) -vaccins (voor COVID-19) hebben een gemodificeerde oligonucleotide-streng die is geformuleerd in een nanoblaasje, dus het is bijna een kleine nanorobot, " zei prof. Gothelf. Hij voorziet een toekomst waarin DNA-nanorobots medicijnen precies daar afleveren waar ze nodig zijn. een medicijn kan worden vastgemaakt aan een DNA-robot met een speciale linker die wordt gesneden door een enzym dat alleen in bepaalde cellen wordt gevonden, zo wordt ervoor gezorgd dat het medicijn op een precieze locatie wordt vrijgelaten.

Maar DNA-robotica is niet alleen voor nanogeneeskunde. Prof. Gothelf mengt organische chemie met DNA-nanobots om licht door te laten langs een draad die slechts één molecuul breed is. Dit zou de elektronica verder kunnen verkleinen. DNA-bots kunnen helpen bij de productie op de kleinste schaal, omdat ze moleculen op verbijsterend kleine maar precieze afstanden van elkaar kunnen plaatsen.

Voor nu echter, DNA-robotica voor medicijnen is waar de meeste wetenschappers van dromen. "Je zou structuren kunnen maken die veel intelligenter en veel specifieker zijn dan wat vandaag mogelijk is, " zei Prof. Gothelf. "Dit heeft het potentieel om een ​​volledig nieuwe generatie medicijnen te maken."