Νανορομπότ ελεγχόμενα με βάση το DNA

Στο περιοδικό Nature Communications , ο Carlos Castro, ο Ratnasingham Sooryakumar και οι συνάδελφοί τους από το “The Ohio State University” αναφέρουν ότι το σύστημα ελέγχου μείωσε το χρόνο απόκρισης των εξαρτημάτων νανο-ρομπότ από αρκετά λεπτά σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο .

Η ανακάλυψη δεν αφορά μόνο σε μια σημαντική βελτίωση στην ταχύτητα, αλλά αποτελεί τον πρώτο άμεσο έλεγχο -σε πραγματικό χρόνο- των μοριακών μηχανών με βάση το DNA. Η ανακάλυψη θα μπορούσε μία μέρα να επιτρέψει στα νανορομπότ να κατασκευάσουν αντικείμενα – όπως μηχανισμούς και συσκευές παράδοσης φαρμάκων – τόσο γρήγορα και αξιόπιστα όσο και τα αντίστοιχα πλήρους μεγέθους.

“Φανταστείτε να λέτε σε ένα εργοστάσιο ένα ρομπότ να κάνει κάτι και να περιμένει πέντε λεπτά για να εκτελέσει ένα μόνο βήμα μιας εργασίας. Αυτό συνέβη με παλαιότερες μεθόδους ελέγχου των νανομηχανών DNA “, αναφέρει ο Κάρλος Κάστρο, αναπληρωτής καθηγητής μηχανικής και αεροδιαστημικής μηχανικής.

“Οι μέθοδοι χειρισμού σε πραγματικό χρόνο, όπως η μαγνητική μας προσέγγιση, δίνουν τη δυνατότητα στους επιστήμονες να αλληλεπιδρούν με τις νανοσυσκευές DNA και στη συνέχεια να αλληλεπιδρούν με μόρια και μοριακά συστήματα που θα μπορούσαν να συνδυαστούν με αυτές τις νανοσυσκευές σε πραγματικό χρόνο με άμεση οπτική ανατροφοδότηση. “

Σε προηγούμενη εργασία , η ομάδα του Κάστρο χρησιμοποίησε μια τεχνική που ονομάζεται DNA origami για να διπλώσει ξεχωριστά σκέλη του DNA για να σχηματίσει απλά μικροσκοπικά εργαλεία όπως ρότορες και μεντεσέδες. Κατασκεύασαν ακόμη και ένα «Δούρειο Ίππο» από το DNA για την παράδοση φαρμάκων σε καρκινικά κύτταρα.

Οι πρωτότυπες νανομηχανές περιλαμβάνουν ένα νανορότορα αποτελούμενο από δύο ξεχωριστά κατασκευάσματα, το νανοτούβλο και μια νανοπλατφόρμα, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους μέσω προεξοχής μονόκλωνου DNA (ssDNA) και b νανο-άρθρωσης αποτελούμενου από δύο δύσκαμπτες νανο-ράβδους με 36 δίκλωνες έλικες συνδεδεμένες στο ένα άκρο με 8 συνδέσεις κλώνου ssDNA.

Αυτά τα μαγνητικά σωματίδια, αν και αόρατα με γυμνό μάτι, ήταν ακόμα πολλές φορές μεγαλύτερα από ένα από τα νανο-μηχανήματα του Castro, εξήγησε ο Sooryakumar.

“Ανακαλύψαμε έναν τρόπο να εκμεταλλευτούμε τη δύναμη των μαγνητικών δυνάμεων για να δοκιμάσουμε τον μικροσκοπικό κόσμο – έναν κρυμμένο κόσμο εκπληκτικής πολυπλοκότητας”, είπε.“Αλλά θέλαμε να μεταβαίνουμε από τον μικρο-κόσμο στον νανο-κόσμο. Αυτό οδήγησε στη συνεργασία με τον Δρ Κάστρο. Η πρόκληση ήταν να συρρικνωθεί η λειτουργικότητα των σωματιδίων μας χίλιες φορές, να τις ζευγαρώσουμε σε ακριβείς θέσεις στα κινούμενα μέρη των μηχανών και να ενσωματώσουμε φθορίζοντα μόρια ως φάρους για την παρακολούθηση των μηχανών καθώς μετακινούνταν ».

Για τη μελέτη αυτή, η ομάδα δημιούργησε ράβδους, ρότορες και μεντεσέδες χρησιμοποιώντας DNA origami. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν άκαμπτους μοχλούς DNA για να συνδέσουν τα νανοσκοπικά εξαρτήματα με μικροσκοπικά σφαιρίδια κατασκευασμένα από πολυστυρένιο εμποτισμένο με μαγνητικό υλικό. Ρυθμίζοντας ένα μαγνητικό πεδίο, βρήκαν ότι θα μπορούσαν να δώσουν εντολή στα σωματίδια να ταλαντεύουν συστατικά εμπρός και πίσω ή να τα περιστρέψουν. Τα εξαρτήματα εκτέλεσαν τις εντολές κινήσεων σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο.

Για παράδειγμα, ο νανο-ρότορας ήταν σε θέση να περιστρέψει μια πλήρη 360 μοίρες σε περίπου ένα δευτερόλεπτο με συνεχώς ελεγχόμενη κίνηση κινούμενη από ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Ο νανο-μεντεσές ήταν σε θέση να κλείσει ή να ανοίξει σε 0,4 δευτερόλεπτα, ή να κρατηθεί σε συγκεκριμένη γωνία με ακρίβεια 8 μοιρών.

Αυτές οι κινήσεις θα μπορούσαν να έχουν διαρκέσει αρκετά λεπτά αν εκτελεστούν με παραδοσιακές μεθόδους, είπε ο Κάστρο. Θεωρεί ότι σύνθετα νανοϋλικά ή βιομοριακά σύμπλοκα θα μπορούσαν μία ημέρα να κατασκευαστούν σε νανο-εργοστάσια με βάση το DNA που ανιχνεύουν και ανταποκρίνονται στο τοπικό τους περιβάλλον.

Η μελέτη έληξε πολύ καιρό: Οι ερευνητές αποφάσισαν να συγχωνεύσουν τη μαγνητική πλατφόρμα του Sooryakumar με τις συσκευές DNA του Castro εδώ και χρόνια. “Χρειάστηκε πολύ αφιερωμένο έργο από πολλούς μαθητές για να συνειδητοποιήσουμε αυτή την ιδέα και είμαστε ενθουσιασμένοι που συνεχίζουμε να τη στηρίζουμε. Αυτή η μελέτη δείχνει μια συναρπαστική πρόοδο που ήταν δυνατή μόνο με αυτή τη διεπιστημονική συνεργασία “, δήλωσε ο Κάστρο.

Νανορομπότ ελεγχόμενα με βάση το DNA