Вчені все частіше використовують ДНК для проектування органічних структур найменших масштабів. Дослідники з CalTech створили ДНК-робота, призначеного для переміщення і підйому вантажів молекулярного розміру.
Ви напевно не раз бачили в науково-популярних статтях термін «ДНК-орігамі». Так вчені називають процес побудови мікроструктур з ДНК, який і справді чимось нагадує японське мистецтво складання паперу. Оскільки спіраль ДНК має здатність зберігати в собі великі обсяги інформації, побудовані з неї структури можуть використовуватися для доставки медикаментів по всьому організму або, наприклад, як інструмент для редагування транспортних генів. Дослідники пішли ще далі і створили справжнісінького робота з ДНК, якому вантажником в молекулярному світі належить працювати... вантажником. Робота була опублікована на порталі Science.
ДНК замість мікросхем: біороботи у справі
«Подібно до того, як електромеханічні роботи зараз борознять простори космосу і досліджують найближчі до Землі планети, наші механізми теж відправляться туди, куди людина потрапити не може - наприклад, в його власну кровоносну систему», пояснює Лулу Цянь, професор біоінженерії Каліфорнійського технологічного інституту і один з авторів дослідження. За її словами, мета роботи полягала в розробці і створенні молекулярного робота, який міг би виконувати «складне наномеханічне завдання»: сортування вантажів.
Дослідники хотіли створити роботів, які могли б збирати і сортувати молекули в певній ділянці простору. З цією метою вони створили трьохчасного ДНК-робота всього з одного ланцюга ДНК. Щоб забезпечити маневреність, конструкцію оснастили «ногою» з парою «ступнів». У свою чергу, «рука» складалася з плеча, «пензля», яка дозволяла утримувати і перетягувати об'єкти, а також третього компонента, що сигналізує про те, що мета досягнута і що вантаж можна відпустити.
Концептуальна ілюстрація ДНК, jnf, що сортує два типи вантажів
Щоб перевірити робота в справі, дослідники сітчасту поверхню з одиночних ниток ДНК, за яких крихітний роботяга міг зачепитися ступнею. Друга ступня при цьому бовталася в просторі до тих пір, поки робот самостійно не намацає опору. Рухаючись таким чином, робот робив крок приблизно раз на п'ять хвилин, при цьому ширина пройденої дистанції дорівнювала шести нанометрам. Зіткнувшись з вантажем - флуоресцентними молекулами жовтого і рожевого барвника, - робот брав його і переносив у потрібну точку, залежно від кольору мішені. Він був розроблений таким чином, щоб відсортувати весь вантаж. Працювало диво молекулярної інженерії дуже неквапливо: за 24 години він розклав видобуток на дві різнокольорові купки по три молекули в кожній. Після деяких модифікацій дослідникам вдалося створити роботів, які володіли 80% шансом доставити вантаж в потрібну точку - а для такого крихітного механізму це досить високий показник.
Майбутнє біотехнологій
На думку вчених, наноботів з ДНК можна буде проектувати і налаштовувати різними способами, залежно від поставленого завдання. Кілька роботів зможуть одночасно працювати в одній і тій же області як окремо, так і спільно. Але для того, щоб вони приносили практичну користь, працювати їм доведеться набагато швидше. На допомогу приходить класична анатомія: дослідники впевнені, що якщо оснастити роботів «хвостами» (які в живій природі допомагають переміщатися в середовищі і полегшують координацію тварин), то біомеханізми стануть більш жвавими. Та й старі-добрі двигуни ніхто не відміняв.
Наноботи зможуть збирати ліки прямо в крові пацієнта
Головний прогрес в даному випадку полягає в методології дослідників, вважає Джон Х.Рейф, професор комп'ютерних наук Університету Дьюка. «Подібні системи повинні бути здатні виконувати більш складні завдання, такі як реакції хімічного синтезу», стверджує він у супровідній редакційній статті для Science. Цянь, у свою чергу, зазначила, що роботи були створені виключно з експериментальною метою, проте не виключає, що в майбутньому їм знайдеться практичне застосування. На її думку, більш досконалі наноорганічні роботизовані структури зможуть буквально збирати з введених в організм ресурсів лікарські препарати, які зазвичай не можуть пройти через гемато-енцефалічний бар'єр - до таких, наприклад, відноситься більшість препаратів проти раку.
ДНК-роботи будуть корисні і в космосі: під час тривалих перельотів вони курсуватимуть по крові в «сплячому» режимі, але якщо життєві показники астронавта раптом впадуть - робот прокинеться і введе в кров необхідні ліки.