Молекула-робот: Пауки наномира

Новый робот подчиняется командам: начинает движение, поворачивается и останавливается. Все было бы совсем неинтересно, если б робот этот не представлял собой одну-единственную молекулу.
11
12764
  • Молекулярный робот (тело его показано голубым) перемещается к цели (красная), цепляясь за торчащие из подложки короткие нити ДНК. Зеленым обозначены молекулы красителя, который ученые использовали для того, чтобы отслеживать движение
    Молекулярный робот (тело его показано голубым) перемещается к цели (красная), цепляясь за торчащие из подложки короткие нити ДНК. Зеленым обозначены молекулы красителя, который ученые использовали для того, чтобы отслеживать движение

Профессор Эрик Уинфри (Erik Winfree) говорит: «Традиционно под роботом понимают машину, реагирующую на окружение, способную к принятию решений на этой основе — и, в конце концов, действующую». Именно он стал одним из руководителей крупной группы ученых, которые занялись «ужиманием» роботов до молекулярных размеров.

В самом деле, когда дело дойдет до настоящих нанотехнологий, манипулирования структурами уровня отдельных молекул и атомов, роботы способны дать все те же преимущества, что дают роботы на линии какого-нибудь современного завода. Теоретически, мы должны научиться программировать их к определенной реакции на определенные внешние стимулы (например, на молекулы-маркеры болезни в живой клетке), вырабатывать решение на основе заранее заложенного алгоритмы (например, что клетка переродилась в злокачественную опухолевую, и ее необходимо «нейтрализовать») и, наконец, действовать согласно принятому решению (высвободить «груз» лекарств). Или — если вернуться к аналогии с заводом — отбирать нужные компоненты, объединять их, создавая наноразмерные структуры без всякого вмешательства человека.

На первый взгляд задача кажется неразрешимой. Как вообще возможно запрограммировать молекулу? Но более вдумчивый подход позволил ученым найти выход. У молекулы нет памяти для хранения алгоритмов и данных? Хорошо, будем хранить их вне ее. Насытим информацией саму среду, в которой будет действовать молекулярный робот. Читать далее

Тут на помощь приходит метод ДНК-оригами, в основе которого лежит манипулирование отдельными звеньями цепочки ДНК с тем, чтобы тем самым определять свойства структур, которые будет образовывать целая цепочка. Таким способом ученые уже научились создавать ДНК-структуры самой разной формы — и мы писали о них в заметке «Ларчик с ключиком». В данном же случае с помощью ДНК-оригами ученые «уложили» нити ДНК в плоскость, пакуя их в квадраты со стороной около 100 нм и получив подложку толщиной около 2 нм.

На конце каждой нити ДНК имелась короткая олигонуклеотидная цепочка, не уложенная в эту плоскость, они торчали над ее поверхностью, как сигнальные маячки. Эти-то олигонуклеотиды и несли информацию для будущего молекулярного робота. Пока что это простые команды: старт, вперед, назад, вправо, влево, стоп.

Сам же робот, которого исследователи назвали «Пауком» (Spider), был собран одним из них, профессором Миланом Стояновичем (Milan Stojanovic), еще несколько лет назад. Это, по сути, клубок из ДНК и белков, который демонстрирует способность к хаотическому перемещению по плоской поверхности.

Чтобы получить «Паука», требуется глобулярный белок стрептавидин, несущий 4 симметричных центра связывания для биотина (соединение это более известно под названием витамина Н). Посредством биотина к белку и крепятся 4 конечности робота, представляющие собой короткие нити ДНК. Получается, что паук, в отличие от обычных, четырехногий. При этом ДНК в трех из его ног обладает энзиматической активностью: они связываются с комплиментарными нитями ДНК и делают в них надрезы. Четвертая нога крепит «Паука» на месте.

Как только она высвобождается, робот начинает движение по подложке, из которой торчат «командные» нити олигонуклеотидов. Он связывается с ними свободной конечностью, затем надрезает и высвобождается, уже ухватившись очередной ногой за следующую нить. Таким способом робот движется, точно следуя путем, который, как маячками, ученые обозначили олигонуклеотидами. Пока не попадает на такой, с которым может связаться, но разрезать который не в силах. Тут «Паук» останавливается".

На фоне других роботов на основе ДНК-конструктора «Паук» выглядит настоящим чемпионом. Все, на что способны конкуренты — сделать 2−3 заранее запрограммированных шага. А «Паук» в лаборатории преодолел аж 100 нм, что составляет около 50-ти его шагов. На порядок круче.

По пресс-релизу Caltech

Комментарии

11 комментариев