DNA-robotar på väg

Dess exakta struktur och förmåga att binda till andra molekyler gör DNA till ett attraktivt ställningsmaterial för nanoteknikforskare. Forskare har redan använt DNA för att konstruera tvådimensionella mönster, tredimensionella objekt och enkla formförändrande enheter. Nu har två forskarlag separat gjort komplexa programmerbara maskiner med hjälp av DNA-molekyler.

DNA löpande band: En atomkraftmikroskopbild visar guldnanopartiklar på ett DNA-spår.

Forskare från Columbia University, Arizona State University och Caltech har gjort en enhet som följer en programmerbar bana på en yta mönstrad med DNA. Samtidigt forskare från New York University, ledd av DNA-nanoarkitektur-pionjär Ned Seeman , har kombinerat flera DNA-enheter för att göra ett löpande band. Nanoutrustningen plockar upp guldnanopartiklar när den tumlar längs en DNA-mönstrad yta.

De två maskinerna, som beskrivs i dagens Natur journal, är ett möjligt steg framåt för att göra DNA-nanobotar som kan sätta ihop små elektriska och mekaniska enheter. DNA-robotar skulle också kunna sätta ihop molekyler på nya sätt för att göra nya material, säger Lloyd Smith , en kemiprofessor vid University of Wisconsin-Madison. Robotar kan ha förmågan att placera en molekyl på ett speciellt sätt så att en reaktion sker med en annan molekyl som kanske inte händer om de slumpmässigt kolliderar i lösning, säger han.

Tidigare har forskare gjort enkla maskiner som pincett och rollatorer som också har gjorts av DNA. Pincett öppnas och stängs genom att lägga till specifika DNA-strängar till lösningen. Walkers är molekyler med dinglande strängar, eller ben, som binder och lossnar från andra DNA-strängar mönstrade på en yta, i själva verket rör sig längs ytan.

Nanorullatorn tillverkad vid Columbia University är en proteinmolekyl dekorerad med tre ben – enkelsträngade DNAzymer, syntetiska DNA-molekyler som fungerar som enzymer och katalyserar en reaktion. Benen binder till komplementära DNA-strängar på en yta. Sedan katalyserar de en reaktion som förkortar en av ytsträngarna, så att dess fäste vid benet blir svagare. Det benet släpper taget och går vidare till nästa ytsträng.

Walkern följer ett spår av trådar som forskarna mönstrar på ytan. Det kan ta upp till 50 steg – jämfört med de två eller tre steg som tidigare vandrare tagit. Den stannar när den stöter på en sekvens som inte kan förkortas. Vi visar hur man programmerar [vandrarens] beteende genom att programmera landskapet, säger Milan Stojanovic , en biomedicinsk ingenjör vid Columbia University som utvecklade rollatorn. Det gör det möjligt för oss att tänka på att lägga till ytterligare komplexitet: mer än en molekyl som interagerar och mer komplicerade kommandon på ytan. Vad vi hoppas kunna göra så småningom är att kunna [använda nanobotar för att] reparera vävnader.

Seeman och hans kollegor vid New York University kombinerar tre olika DNA-komponenter för att göra ett löpande band. De har en DNA-bana, en rollator och en maskin som kan leverera eller hålla tillbaka en last av en guldmolekyl. Maskinen är en DNA-struktur som kan ställas in för att antingen lägga en guld nanopartikelladdad sträng i rullatorns väg eller bort från den. Walkern har fyra ben och tre enkelsträngade DNA-händer som kan binda till guldet.

Forskarna demonstrerade ett system där rollatorn passerar tre maskiner, som var och en bär på olika typer av guldpartiklar. Varje maskin kan ställas in för att antingen leverera sin last eller behålla den, vilket ger totalt åtta olika sätt på vilka rollatorn kan lastas, vilket leder till åtta olika produkter.

Framstegen representerar fortsatta framgångar med att skapa nanoenheter med allt mer komplexa funktioner. [Vi] går från enskilda enheter som gör något intressant till system av enheter som arbetar med något med ett mer komplext beteende och funktion, säger Smith.

Dölj