Исследователи из университета Нового Южного Уэльса, Австралия, (UNSW) преодолели большую проблему на пути к контролю над линейными размерами так называемых ДНК-наноботов — структур, которые собирают себя из ДНК-компонентов.
Самособирающиеся нанороботы могут показаться научной фантастикой, но новое исследование в ДНК-нанотехнологии привело их на шаг ближе к реальности. В будущем использование нанороботов не будет ограничиваться микромасштабами, но будет полезно и в более крупных проблемах здоровья и медицины, таких как лечение артерий и удаление из них тромбов.
Исследователи из UNSW вместе с коллегами из Великобритании опубликовали в журнале ACS Nano новую теорию дизайна, посвящённую контролю длины самособирающихся наноботов в отсутствие матрицы или шаблона.
«Традиционно мы строим структуры, вручную собирая компоненты для получения желаемого конечного продукта. Это работает довольно хорошо и легко, если части большие. Но если мы идём в сторону их уменьшения, это становится делать труднее», — говорит ведущий автор исследования доктор Лоуренс Ли из проекта изучения отдельных молекул в контексте медицины UNSW Medicine’s Single Molecule Science.
Исследователи в области медицины уже могут собирать наноразмерных роботов, которых можно программировать на очень маленькие задачи, вроде позиционирования крошечных электронных компонентов или доставки лекарств в раковые клетки.
В UNSW исследователи используют биологические молекулы — например, ДНК, — чтобы строить этих нанороботов. В ходе процесса, называемого молекулярной самосборкой, крошечные индивидуальные компоненты выстраивают из самих себя более крупные структуры.
Проблема использования самосборки для строительства заключается в том, как можно запрограммировать строительные блоки, чтобы они выстраивались в желаемую структуру, а затем остановить их, когда структура достигнет нужной длины или высоты.
Для этого проекта исследователи из UNSW использовали свой вариант синтеза субъединиц ДНК под названием PolyBricks. Как и в случае с природными системами, в каждый строительный блок дополнительно закодирован мастер-план, чтобы он мог собираться в заранее заданные структуры определённой длины.
Доктор Ли сравнивает PolyBricks с микроботами из анимационного фильма «Город героев», в котором микроботы самособирались во множество различных форм.
«В фильме высший робот — это набор идентичных субъединиц, которым можно приказать самособираться в любую желаемую глобальную форму», — говорит доктор Ли.
Авторы использовали принцип дизайна, известный как накопление напряжения, чтобы контролировать размер строящихся структур.
«С каждым добавленным блоком между участками PolyBricks накапливается энергия напряжения, пока в конце концов эта энергия не становится слишком большой, чтобы ещё какие-то блоки могли связываться со структурой. На этой точке субъединицы прекращают собираться», — говорит доктор Ли.
Чтобы контролировать длину конечной структуры, т.е. сколько блоков PolyBricks соединяются вместе, команда исследователей модифицировала последовательность их ДНК, чтобы регулировать то, сколько напряжения добавляется с каждым новым блоком.
«Наша теория поможет исследователям разработать другие способы использовать накопление напряжения для контроля финальных размеров продуктов открытой самосборки», — говорит доктор Ли.
Авторы также говорят, что механизм можно использовать, чтобы кодировать более сложные формы с использованием самособирающихся блоков.
«Такие фундаментальные исследования в области организации материи на наноуровне могут привести нас к следующему поколению наноматериалов, наномедицины и наноэлектроники», — говорит ведущий автор исследования доктор Джонатан Беренгут.
Оригинал: DNA nanobots build themselves – how can we help them grow the right way?
Перевод Антон Меньшенин, редактор Марлен Тальберг.