Om de nya nanomaskinerna som byggdes vid Ohio State University ser bekanta ut, det beror på att de designades med mekaniska delar i full storlek som gångjärn och kolvar i åtanke.
Projektet är det första som bevisar att samma grundläggande designprinciper som gäller för typiska maskindelar i full storlek också kan tillämpas på DNA – och kan producera komplexa, kontrollerbara komponenter för framtida nanorobotar.
I en tidning som publicerades denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences , Ohio State mekaniska ingenjörer beskriver hur de använde en kombination av naturligt och syntetiskt DNA i en process som kallas "DNA origami" för att bygga maskiner som kan utföra uppgifter upprepade gånger.
"Naturen har producerat otroligt komplexa molekylära maskiner i nanoskala, och ett viktigt mål med bio-nanoteknik är att reproducera deras funktion syntetiskt, " sa projektledaren Carlos Castro, biträdande professor i maskin- och flygteknik. "Där de flesta forskargrupper närmar sig detta problem från en biomimetisk synvinkel - som efterliknar strukturen hos ett biologiskt system - bestämde vi oss för att utnyttja det väletablerade området för makroskopisk maskindesign för inspiration."
"I huvudsak, vi använder ett biomolekylärt system för att efterlikna storskaliga tekniska system för att uppnå samma mål att utveckla molekylära maskiner, " han sa.
I sista hand, Tekniken kan skapa komplexa nanorobotar för att leverera medicin inuti kroppen eller utföra biologiska mätningar i nanoskala, bland många andra applikationer. Som den fiktiva "Transformers, " en DNA-origamimaskin kan ändra form för olika uppgifter.
"Jag är ganska upphetsad av den här idén, " sa Castro. "Jag tror att vi i slutändan kan bygga något som ett transformatorsystem, fast kanske inte riktigt som i filmerna. Jag ser det mer som en nanomaskin som kan upptäcka signaler som bindning av en biomolekyl, bearbeta information baserat på dessa signaler, och sedan svara därefter – kanske genom att generera en kraft eller ändra form."
DNA-origamimetoden för att göra nanostrukturer har använts flitigt sedan 2006, och är nu en standardprocedur för många labb som utvecklar framtida läkemedelsleveranssystem och elektronik. Det handlar om att ta långa DNA-strängar och få dem att vikas till olika former, sedan säkra vissa delar tillsammans med "häftklamrar" gjorda av kortare DNA-strängar. Den resulterande strukturen är tillräckligt stabil för att utföra en grundläggande uppgift, som att bära en liten mängd medicin inuti en behållareliknande DNA-struktur och öppna behållaren för att frigöra den.
För att skapa mer komplexa nanomaskiner som kan utföra sådana uppgifter upprepade gånger, Castro gick med Haijun Su, också en biträdande professor i mekanisk och rymdteknik vid Ohio State. Kombinerad, de två forskarteamen har expertis inom nanoteknik, biomekanik, maskinteknik och robotteknik.
Castro sa att det finns två nycklar till deras unika tillvägagångssätt för att designa och kontrollera maskinernas rörelse. Den första innebär att göra vissa delar av strukturen flexibla. De gör flexibla delar av enkelsträngat DNA, och styvare delar från dubbelsträngat DNA.
Den andra nyckeln innebär att "stämma" DNA-strukturerna så att maskinernas rörelser är reversibla och repeterbara. Forskarna prickar sina strukturer med syntetiska DNA-strängar som hänger från kanterna som markisen på ett tak. Istället för att sammanfoga delar av maskinen permanent, dessa trådar är utformade för att fungera som remsor av kardborrefästen – de klibbar ihop eller lossnar beroende på kemiska signaler från maskinens omgivning.
I labbet, doktoranderna Alexander Marras och Lifeng Zhou tog långa DNA-strängar från en bakteriofag – ett virus som infekterar bakterier och är ofarligt för människor – och "häftade" ihop dem med korta strängar av syntetiskt DNA.
Först, de sammanfogade två styva DNA-"plankor" med flexibla häftklamrar längs ena kanten för att skapa ett enkelt gångjärn. Castro liknade processen med att "ansluta två trä 2x4:or med mycket korta snören längs 4-tumskanten i ena änden."
De byggde också ett system som flyttade en kolv inuti en cylinder. Den maskinen använde fem plankor, tre gångjärn och två rör med olika diametrar — alla gjorda av bitar av dubbelsträngat och enkelsträngat DNA.
För att testa om maskinerna rörde sig ordentligt, de avbildade dem med transmissionselektronmikroskopi. De märkte också DNA:t med fluorescerande taggar, så att de kunde observera formförändringarna med en spektrofluorometer. Tester bekräftade att gångjärnen öppnades och stängdes och kolven rörde sig fram och tillbaka - och att forskare kunde kontrollera rörelsen med tillsats av kemiska signaler till lösningen, såsom ytterligare DNA-strängar.
Detta tillvägagångssätt att designa enkla fogar och koppla ihop dem för att göra mer komplexa arbetssystem är vanligt i makroskopisk maskinkonstruktion, men det här är första gången det har gjorts med DNA – och första gången någon har ställt in DNA:t för att producera reversibel aktivering av en komplex mekanism.
Forskargruppen arbetar nu med att utöka designen av mekanismer för att trimma maskinerna, och de kommer också att försöka skala upp produktionen av maskinerna för vidareutveckling.
