Republic - ДНК-робот научился сортировать молекулярные грузы. Зачем это нужно?

Republic - ДНК-робот научился сортировать молекулярные грузы. Зачем это нужно?

res_publica

https://t.me/res_publica

19 сентября 2017 г. Ира Соломонова.

Наноробот, построенный из «кирпичиков» ДНК, станет незаменимым в медицине будущего.

Человек успешно использует роботов, чтобы проникнуть в труднодоступные места: космические зонды путешествуют к другим планетам, беспилотники с камерами снимают видео из отдаленных уголков Земли, инженеры создают аппараты для борьбы с последствиями природных и техногенных катастроф. В будущем роботы будут трудиться не только по соседству с нами, но непосредственно внутри нас – в крови и клетках организма. Такие нанороботы будут собраны из ДНК и смогут доставлять лекарства или, наоборот, забирать из тела «мусор», невидимый глазу. Простого, но эффективного ДНК-робота, которого можно «запрограммировать» на разные задачи, создали в Калифорнийском технологическом институте.

Технику под названием «ДНК-оригами» разработал в 2006 году американский исследователь Пол Ротмунд. Он описал методику, с помощью которой из фрагментов ДНК можно складывать двумерные наноструктуры почти любых форм – треугольники, улыбающиеся рожицы, контуры стран и пр. Техника основывается на комплементарности – свойстве «кирпичиков» ДНК, нуклеотидов, образовывать прочные связи друг с другом. Это происходит не как попало – создаются предсказуемые пары c нуклеотидами на соседней нити ДНК: аденин (А) формирует связи с тимином (Т), а гуанин (Г) – с цитозином (Ц). Зная, какие буквы или последовательности букв будут связываться между собой, можно заставить ДНК сворачиваться в нужные фигуры.

Впоследствии ученые ⁠доработали технику Ротмунда ⁠и придумали, как составлять из ДНК трехмерные структуры. ⁠Их можно применять, чтобы «запаковать» в ДНК-контейнер лекарства и доставлять ⁠их непосредственно к нужной ткани или органу, но пока практическое ⁠использование нанооригами остается вопросом исследований.

Биоинженеры из Калифорнийского технологического института (Калтех) разработали ⁠наноробота, который может перемещаться внутри организма на своеобразной ⁠«ноге» с двумя «ступнями», подбирать конкретные молекулы своей «рукой» с «кистью» и распознавать заранее определенное место, в котором необходимо сбросить груз. Каждый из «органов» ДНК-робота состоит всего из нескольких нуклеотидов, а все вместе они соединены в одну нить ДНК длиной 53 нуклеотида. Высота конструкции – около 20 нанометров. Статью с описанием технологии опубликовал научный журнал Science.

«Точно как электромеханические роботы отправляются в далекий космос, например на Марс, мы хотим отправлять молекулярных роботов в места крохотного масштаба, до которых не добраться человеку, – например, в кровеносные сосуды, – заявила биоинженер Калтеха Лулу Чян. – Нашей целью было разработать и построить молекулярного робота, способного выполнять сложную наномеханическую работу: сортировать грузы».

В теории, объясняют ученые в пресс-релизе на сайте Калтеха, робота можно собирать из разных нуклеотидных модулей в зависимости от того, какую задачу он должен будет выполнять. Например, можно построить ему несколько «рук» и «ног», чтобы он нес несколько молекул одновременно. Для эксперимента, описанного в Science, биоинженеры сделали робота, который мог передвигаться по поверхности (также состоящей из ДНК) площадью примерно 60×60 нанометров, отыскивать на ней разные молекулы, помеченные красителями разных цветов, и сортировать их, доставляя в разные точки.

На выполнение задачи ушло 24 часа. Робот действовал автономно в соответствии с миссией, на которую его запрограммировали: найти, забрать, доставить; программирование производилось с помощью манипуляций с химическим составом структуры. Движение ДНК-робота со стороны выглядит хаотично – он меняет направление с каждым шагом, но тем не менее успешно справляется со своей работой. Чем больше нанороботов работает на одной «площадке», тем быстрее будет достигнута их цель.

Ученые практикуются в создании ДНК-роботов уже несколько лет. За это время они успели выработать ряд ноу-хау: например, оптимальная длина шага наноробота – 6 нанометров, что в сто миллионов раз меньше среднего человеческого шага. Такой размер используется потому, что цепочке этой длины проще прикрепляться и отрываться от ДНК, по которой путешествует структура. Последний ДНК-робот из Калтеха отличается от своих предшественников своей простотой, которая дает ему несколько преимуществ. Благодаря небольшому числу использованных в его конструкции нуклеотидов он с меньшей вероятностью будет поврежден химическими соединениями, которые встретятся ему в живом организме. Большому количеству роботов будут под силу сложные задачи. Наконец, к простой конструкции проще добавлять дополнительные инструменты – например, вторую «руку».

В будущем, надеются исследователи, подобные ДНК-роботы смогут выполнять самые разные медицинские миссии – от распознавания маркеров рака и других заболеваний до строительства «молекулярных фабрик» с лекарствами, которые будут доставляться по кровотоку именно туда, где нужны. Ученые обсуждают и другие сферы применения нанороботов, помимо медицины, – например, для сортировки молекул при переработке отходов.

Читайте ещё больше платных статей бесплатно: https://t.me/res_publica