Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Исследователи создали ДНК-контроллер, способный управлять сборкой и разборкой молекулярных роботов.
Исследование японские учёные, приблизило нас к созданию автономно действующих роев молекулярных роботов, которые разработали молекулярный контроллер на основе ДНК, способный управлять их сборкой и разборкой.
Учёными из Университета Тохоку и Киотского университета, разработали эту новую технологию, которая должна найти применение в нанотехнологиях и медицине. Таки микророботы могут помочь в диагностике и лечении заболеваний, работая, как внутри, так и снаружи человеческого организма.
Молекулярный контроллер, созданный из искусственно спроектированных молекул ДНК и ферментов, может управлять молекулярными роботами путём выделения определённых молекул ДНК.
Как пояснил соавтор исследования, профессор молекулярной робототехники Син-итиро М. Номура из Высшей школы инженерии Университета Тохоку, этот подход позволяет роботам автоматически самособираться и разбираться без необходимости внешнего вмешательства.
Это особенно важно, поскольку такой принцип работы позволяет роботам выполнять задачи в средах, куда не могут проникнуть внешние сигналы. Предыдущие исследования профессора Какуго и его коллег демонстрировали молекулярных роботов, двигающихся индивидуально, тогда как молекулярный контроллер обеспечивает поведение роя, благодаря запрограммированной последовательности.
Как это работает
Как отмечают исследователи во введении к своей работе, «Живые организмы представляют собой автономные системы, способные воспринимать окружающую среду, обрабатывать информацию и выполнять необходимые действия». Учёных восхищает эта автономность, и они стремятся синтезировать подобные автономные системы, не требующие ручного управления.
Для инженеров в развивающейся области биоинспирированной робототехники сформировался фокус на использовании как твёрдых, так и мягких материалов. Поскольку им удалось значительно миниатюризировать биоинспирированные мягкие материалы, молекулярная робототехника получила развитие, стремясь создавать роботов из молекулярных компонентов.
«Биомолекулы, как нуклеиновые кислоты и белки, являются перспективными кандидатами в качестве строительных блоков для молекулярных дронов, благодаря их программируемости и высокой специфичности» – заявляют учёные.
Разработанный ими молекулярный контроллер может посылать ДНК-сигнал микротрубочкам в растворе, служащий командой «собраться». Микротрубочки — узкие трубчатые структуры, поддерживающие форму растительной или животной клетки и играющие важную роль в таких важнейших процессах, как транспорт и деление клеток — имеют модифицированную ДНК и приводятся в движение молекулярными моторами кинезина.
Кинезин — это моторный белок, который движется вдоль микротрубочек и является важной частью внутриклеточного транспорта, деления клеток и динамики цитоскелета. Получив ДНК-сигнал от контроллера, микротрубочки могут изменять направление своего движения и автоматически собираться в связанную структуру.
Если контроллер подаёт команду «разобраться», пучки микротрубочек распадаются. Это достигается путём управления молекулярной схемой, которая обрабатывает такие сигналы.
Эксперимент, подтверждающий концепцию
Как утверждается, их молекулярный контроллер важен тем, что использует каскадную реакцию молекул ДНК в качестве программы, управляющей сборкой и разборкой молекулярных роботов.
В то время как молекулярные реакции в ДНК-схемах обычно рассматриваются как статические, команда Номуры в 2017 году уже продемонстрировала возможность использования молекулярного «сцепления», созданного из модифицированных молекул ДНК, для влияния на форму молекулярного робота.
Тело того робота состояло из везикулы, сделанной из липидного бислоя, и актуатора, состоящего из белков, кинезина и микротрубочек. Он также имел сцепление, созданное с помощью спроектированных молекул ДНК.
Реагируя на сигнальную молекулу, состоящую из ДНК с заданной последовательностью, сцепление передавало силу, генерируемую мотором, на мембрану. Это приводило к тому, что робот непрерывно менял форму. Имелась также возможность прекратить это изменение формы, направив на робота свет, что приводило к высвобождению сигнальной молекулы и отключению сцепления.
Как написал Номура: «Мы показали, что даже динамические цели, которые быстро и сильно движутся с помощью молекулярных моторов, могут быть контролируемы», добавив, что они «обрели уверенность как исследователи, обнаружив, что ДНК-программа системы самоусиления может работать при смешивании в растворе на месте, а не будучи изолированной в корпусе ЦПУ, упакованном недоступным образом».
Перспективы для технологии
Дальнейшее развитие этой технологии, вероятно, приведёт к созданию более сложных самоуправляемых молекулярных систем, с молекулярными-дронами, выполняющими задачи, которые можно выполнить, только роем. Они будут собираться по заданной команде, выполнять задачи, а затем разбираться.
Исследователи видят потенциал для дальнейшей автоматизации роев молекулярных роботов и того, как они обрабатывают биомолекулярную информацию, используя функциональность контроллера со сложными ДНК-схемами и устройствами усиления.
Как объяснил профессор Номура, интересно в молекулах то, что хотя они «обречены мерцать из-за эффектов энтропии», их также можно «заставить исчезнуть (даже временно)».
Потенциальные применения этой работы многочисленны. В медицине технология может использоваться для целевой доставки лекарств и очень точной хирургии на молекулярном уровне. В экологической науке рои молекулярных дронов могут помочь обнаруживать и нейтрализовать загрязняющие вещества.
В материаловедении, технология способна помочь в разработке новых материалов, обладающих свойствами самосборки. «Универсальность молекулярного контроллера открывает множество возможностей для его применения в различных областях» – заявил Намура.
Как объяснил исследователь, в настоящее время они сосредоточены на нескольких конкретных задачах. А основное внимание уделяется повышению сложности и функциональности молекулярных роботов при сохранении очень точного контроля.
Они также работают над повышением стабильности и надёжности своих систем в различных средах.