Ein (sehr) konzeptionelle Darstellung der beiden DNA-Robotern, die gemeinsam die Durchführung einer cargo-sorting-task auf einem DNA – “origami” – Oberfläche. (Bild: Demin Liu)
In der classic-1966 amerikanischen science-fiction-film Fantastic Voyage, ein U-Boot-crew war miniaturisierte und Injektion in einen Körper zu lösen ein Blutgerinnsel im Gehirn. Das ist offensichtlich nicht, wie die Zukunft der medizinischen Wissenschaft ist, zur Arbeit zu gehen, aber die Vorstellung der Schaffung von mikroskopischen Maschinen, komplexe Aufgaben zu erledigen, ist sicherlich auf den Punkt. Eine kürzlich Voraus, in denen Roboter aus DNA programmiert wurden, zu Sortieren und den gewünschten Moleküle zu einem bestimmten Ort, stellt nun einen wichtigen Schritt in diese zukunftsweisende Richtung.
Es ist noch zu früh Tage für nanotech, aber neue Forschung von der California Institute of Technology präsentiert das enorme Potenzial dieser pint-sized-Technologie. Ein CalTech-Forscher-team unter der Leitung von Anupama Thubagere und Lulu Qian hat Roboter gebaut, die aus DNA, und programmiert Sie zu bringen, einzelne Moleküle an einem bestimmten Ort. Schließlich, diese Technik könnte verwendet werden, um transport-Moleküle, die von vielen Arten im ganzen Körper—, die möglicherweise alles verändern von Drogen-Lieferung an, wie der Körper bekämpft Infektionen, wie mikroskopische Messungen vorgenommen werden.
Derzeit gibt es drei aufstrebenden Bereichen in der DNA-nanoscience-die Wissenschaft der Schaffung von molekular-size-Geräte aus der DNA: Die Selbstorganisation von Nanostrukturen aus DNA-Strängen, molekulare Berechnung und Speicherung von Daten und DNA-Robotik, die im Mittelpunkt der Studie, die heute veröffentlicht in der Wissenschaft. Die zentrale Prämisse der DNA nanoscience ist, dass, eher als die Schaffung von molekularen VORRICHTUNGEN oder Systeme von Grund auf neu, können wir nutzen die Kraft der Natur, die schon dachte, vieles davon aus. Ob und Wann wir endlich master molekulare Maschinen, die wir bauen können, die mikroskopische Größe Roboter mit programmierbaren Funktionen aus und senden Sie Sie an Orte, die sonst unmöglich zu erreichen ist, wie eine Zelle oder ein hart-zu-erreichen Krebsgeschwür.
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In früheren Experimenten, DNA-Roboter demonstrierte Ihre Fähigkeit, einfache Aufgaben, aber diese Letzte Anstrengung hochgefahren das Niveau der Komplexität beträchtlich, während auch die Eröffnung eines Pfades in Richtung auf die Entwicklung von general-purpose-DNA-Roboter.
“Es ist das erste mal, dass DNA-Robotern, die programmiert wurden, um führen Sie eine cargo‐Sortier-Aufgabe, aber wichtiger als die Aufgabe selbst, die wir zeigten, wie diese scheinbar komplexe Aufgabe—und möglicherweise viele andere Aufgaben, die DNA-Roboter können programmiert werden, zu tun, verwendet sehr einfache und modulare Bausteine”, erklärte Qian in einer Mail an Gizmodo. “Dies ist auch das erste Beispiel zeigt mehrere DNA-Robotern, die gemeinsam die gleiche Aufgabe durchführen.”
Für die neue Studie, die Forscher entwickelt eine Gruppe von DNA-Roboter, die gemeinsam ausführen einer vorbestimmten Aufgabe, die Sie hatte, zu Fuß auf einem test-Plattform, suchen Sie einen molekularen Ladung, und liefern Sie an einem bestimmten Ort. Die bots waren in der Lage, dieses selbständig.
Jeder Roboter, gebaut von einem single-stranded DNA-Molekül von nur 53 Nukleotide, war ausgestattet mit “Beine” für Fuß und “Arme” für die Abholung der Objekte. Die bots gemessen 20 Nanometer groß, und Ihre Laufenden Fortschritte gemessen sechs Nanometer lang, wobei ein nanometer ist ein Milliardstel meter. Zum Vergleich, ein menschliches Haar misst etwa 50.000 bis 100.000 Nanometer im Durchmesser, also den Maßstab wir hier sprechen, ist lächerlich klein.
Für die Ladung verwendeten die Forscher zwei Arten von Molekülen, die jeweils eine unterschiedliche single-stranded DNA. In tests, die Forscher platziert die Ladung auf einen zufälligen Ort an der Oberfläche eines zwei-dimensionalen origami (self-folding) DNA-test-Plattform. Die walking-DNA-Roboter verschoben, die parallel entlang dieser Oberfläche, die Jagd für Ihre Ladung.
Um zu sehen, ob ein Roboter erfolgreich abgeholt und abgesetzt zu werden, das Recht, die Fracht an der richtigen Stelle, verwendeten die Forscher zwei fluoreszierende Farbstoffe zur Unterscheidung der Moleküle. Wissenschaftler sind nicht auf der Bühne, doch wo Sie können Programmieren, Roboter dieser Größe gebaut haben, in der Erinnerung, so statt, die Roboter wurden entwickelt, um “match” Ihre Ladung.
“Wir haben spezielle drop‐off-locations für jede Art der Ladung: wenn der Typ übereinstimmt, der drop‐off Lage wird das signal des Roboters zum lösen der Fracht; andernfalls wird der Roboter weiter zu gehen um, und Suche nach einem anderen drop‐off Lage”, erklärte Qian. “Man könnte denken, dass der Roboter nicht schlau. Aber hier ist ein wichtiger Grundsatz für den Aufbau der molekularen Maschinen: damit die einzelnen Moleküle so einfach wie möglich, so könnten Sie funktionieren zuverlässig in einem komplexen biochemischen Umgebung, sondern nutzen Sie das, was eine Sammlung von Molekülen machen kann, wo die smarts sind verteilt in verschiedenen Molekülen.”
Die Forscher schätzen, dass jede DNA-Roboter nahmen etwa 300 Schritte, um seine Aufgabe zu beenden, oder rund zehn mal mehr als in den vorangegangenen Anstrengungen.
“Wir sind erfolgreich programmiert, Komplexes Verhalten in der DNA-Roboter und voneinander jeder Aufgabe mit Hilfe der DNA-origami”, sagte Thubagere.
In Experimenten, 80 Prozent der Ladung der Moleküle wurden so sortiert, es gibt Raum für Verbesserungen. Qian und Thubagere vermuten, dass nicht alle Moleküle wurden korrekt synthetisiert, oder, dass einige Teile des Roboters oder der Testplattform waren defekt. Viel mehr Arbeit muss getan werden, um diese Abbildung alle aus, und testen Sie die DNA-Robotern, die unter verschiedenen Umwelt-Bedingungen, wenn wir jemals haben werden, diese Dinge, arbeiten in unserem Körper. Diese neue Studie bietet eine praktikable Methodik für den Wissenschaftler, weiter zu verfolgen.
“Die größte Andeutung, dass ich hoffe, die Arbeit haben, zu begeistern, noch mehr Forscherinnen und Forscher entwickeln Modulares, kollektiven und adaptiven DNA-Roboter für eine Vielzahl von Aufgaben, um wirklich zu verstehen, die engineering-Prinzipien für den Aufbau künstlicher molekulare Maschinen, und Sie so leicht programmierbar wie der makroskopischen Roboter,” sagte Qian.
[Wissenschaft]