Ett team av forskare från Columbia University, Arizona State University, University of Michigan, och California Institute of Technology (Caltech) har programmerat en autonom molekylär "robot" gjord av DNA för att starta, flytta, sväng, och stanna medan du följer ett DNA-spår.

Utvecklingen kan i slutändan leda till molekylära system som en dag kan användas för medicinska terapeutiska enheter och omkonfigurerbara robotar i molekylär skala – robotar gjorda av många enkla enheter som kan flytta om eller till och med bygga om sig själva för att utföra olika uppgifter.

En artikel som beskriver arbetet finns i det aktuella numret av tidskriften Natur .

Den traditionella synen på en robot är att den är "en maskin som känner av sin miljö, fattar ett beslut, och sedan gör något – det agerar, säger Erik Winfree, docent i datavetenskap, beräknings- och nervsystem, och bioteknik på Caltech.

Milan N. Stojanovic, en fakultetsmedlem i avdelningen för experimentell terapi vid Columbia University, ledde projektet och slog sig ihop med Winfree och Hao Yan, professor i kemi och biokemi vid Arizona State University och expert på DNA-nanoteknik, och med Nils G. Walter, professor i kemi och chef för Single Molecule Analysis in Real-Time (SMART) Center vid University of Michigan i Ann Arbor, för vad som blev en modern självsamling av likasinnade vetenskapsmän med de kompletterande expertområdena som behövs för att ta itu med ett tufft problem.

Att krympa robotar ner till molekylär skala skulle ge, för molekylära processer, samma slags fördelar som klassisk robotik och automation ger i makroskopisk skala. Molekylära robotar, i teorin, kan programmeras att känna av sin miljö (säg, närvaron av sjukdomsmarkörer på en cell), fatta ett beslut (att cellen är cancerös och måste neutraliseras), och agera på det beslutet (leverera en last av cancerdödande läkemedel).

Eller, som robotarna i en modern fabrik, de skulle kunna programmeras för att sätta samman komplexa molekylära produkter. Kraften med robotik ligger i det faktum att en gång programmerad, robotarna kan utföra sina uppgifter autonomt, utan ytterligare mänsklig inblandning.

Med det löftet, dock, kommer ett praktiskt problem:hur programmerar man en molekyl för att utföra komplexa beteenden?

"I normal robotteknik, roboten själv innehåller kunskapen om kommandona, men med individuella molekyler, du kan inte lagra den mängden information, så tanken är istället att lagra information om kommandona på utsidan, säger Walter. Och du gör det, säger Stojanovic, "genom att genomsyra molekylens miljö med informationssignaler."

"Vi kunde skapa en sådan programmerad eller "föreskriven" miljö med hjälp av DNA-origami, " förklarar Yan. DNA-origami, en uppfinning av Caltech Senior Research Associate Paul W.K. Rothemund, är en typ av självmonterad struktur gjord av DNA som kan programmeras för att bilda nästan obegränsade former och mönster (som smileys eller kartor över västra halvklotet eller till och med elektriska diagram). Utnyttja sekvensigenkänningsegenskaperna för DNA-basparning, DNA-origami skapas av en lång enkel DNA-sträng och en blandning av olika korta syntetiska DNA-strängar som binder till och "häftar" det långa DNA:t till önskad form. Origami som används i Natur studien var en rektangel som var 2 nanometer (nm) tjock och ungefär 100 nm på varje sida.

Forskarna konstruerade ett spår av molekylära "brödsmulor" på DNA-origami-spåret genom att stränga ytterligare enkelsträngade DNA-molekyler, eller oligonukleotider, bort ändarna av häftklamrarna. Dessa representerar ledtrådarna som talar om för de molekylära robotarna vad de ska göra – börja, promenad, sväng vänster, sväng höger, eller sluta, till exempel – i likhet med de kommandon som ges till traditionella robotar.

Den molekylära roboten som forskarna valde att använda - kallad en "spindel" - uppfanns av Stojanovic för flera år sedan, vid vilken tidpunkt det visade sig kunna förlängas, men oriktad, slumpmässiga vandringar på tvådimensionella ytor, äta genom ett fält av brödsmulor.

För att bygga den molekylära roboten med 4 nm diameter, forskarna började med ett vanligt protein som heter streptavidin, som har fyra symmetriskt placerade bindningsfickor för en kemisk del som kallas biotin. Varje robotben är en kort biotinmärkt DNA-sträng, "så på detta sätt kan vi binda upp till fyra ben till kroppen på vår robot, " säger Walter. "Det är en fyrbent spindel, säger Stojanovic. Tre av benen är gjorda av enzymatiskt DNA, vilket är DNA som binder till och skär en viss sekvens av DNA. Spindeln är också utrustad med en "startsträng" - det fjärde benet - som binder spindeln till startplatsen (en speciell oligonukleotid på DNA-origami-spåret). "Efter att roboten släppts från sin startplats av en triggersträng, den följer spåret genom att binda till och sedan skära av DNA-strängarna som sträcker sig bort från stapelsträngarna på det molekylära spåret, " förklarar Stojanovic.

"När den väl spricker, " tillägger Yan, "produkten kommer att dissociera, och benet kommer att börja söka efter nästa substrat." På detta sätt, spindeln leds längs den väg som forskarna har lagt ut. Till sist, förklarar Yan, "roboten stannar när den stöter på en DNA-fläck som den kan binda till men som den inte kan skära, " som fungerar som ett slags flugpapper.

Även om andra DNA-vandrare har utvecklats tidigare, de har aldrig vågat sig längre än ungefär tre steg. "Den här, säger Yan, "kan gå upp till cirka 100 nanometer. Det är ungefär 50 steg."

"Detta i sig var inte en överraskning, " tillägger Winfree, "eftersom Milanos ursprungliga arbete antydde att spindlar kan ta hundratals om inte tusentals processiva steg. Det som är spännande här är att vi inte bara direkt kan bekräfta spindlarnas flerstegsrörelse, men vi kan styra spindlarna att följa en specifik väg, och de gör det helt själva - självständigt."

Faktiskt, med hjälp av atomkraftsmikroskopi och enkelmolekylär fluorescensmikroskopi, forskarna kunde direkt se spindlar krypa över origamin, visar att de kunde vägleda sina molekylära robotar att följa fyra olika vägar.

"Att övervaka detta på en enskild molekylnivå är mycket utmanande, " säger Walter. "Det är därför vi har en tvärvetenskaplig, verksamhet med flera institut. Vi har människor som bygger spindeln, karaktäriserar den grundläggande spindeln. Vi har förmågan att montera banan, och analysera systemet med enkelmolekylär avbildning. Det är den tekniska utmaningen." De vetenskapliga utmaningarna för framtiden, Yan säger, "är hur man får spindeln att gå snabbare och hur man gör den mer programmerbar, så att den kan följa många kommandon på banan och fatta fler beslut, implementera logiskt beteende."

"I det nuvarande systemet, säger Stojanovic, "interaktioner är begränsade till rullatorn och miljön. Vårt nästa steg är att lägga till en andra rullator, så att vandrare kan kommunicera med varandra direkt och via omgivningen. Spindlarna kommer att arbeta tillsammans för att uppnå ett mål." Lägger till Winfree, "Nyckeln är hur man lär sig att programmera beteenden på högre nivå genom interaktioner på lägre nivå."

Ett sådant samarbete kan i slutändan vara grunden för att utveckla omkonfigurerbara robotar i molekylär skala – komplicerade maskiner som är gjorda av många enkla enheter som kan omorganisera sig själva till vilken form som helst – för att utföra olika uppgifter, eller fixa sig själva om de går sönder. Till exempel, det kan vara möjligt att använda robotarna för medicinska tillämpningar. "Tanken är att låta molekylära robotar bygga en struktur eller reparera skadade vävnader, säger Stojanovic.

"Du kan föreställa dig spindeln som bär ett läkemedel och binder sig till en tvådimensionell yta som ett cellmembran, hitta receptorerna och, beroende på den lokala miljön, " tillägger Yan, "utlöser aktiveringen av detta läkemedel."

Sådana applikationer, samtidigt som det är spännande, är decennier eller mer bort. "Det här kan vara 100 år i framtiden, " säger Stojanovic. "Vi är så långt ifrån det just nu."

"Men, Walter tillägger, "precis som forskare sätter sig själva idag för att lösa ett tufft problem, molekylära nanorobotar kan göra det i framtiden."