DNA är en av de mest fantastiska molekylerna i naturen, ger ett sätt att bära de instruktioner som behövs för att skapa nästan vilken livsform som helst på jorden i ett mikroskopiskt paket. Nu hittar forskare sätt att driva DNA ännu längre, använda den inte bara för att lagra information utan för att skapa fysiska komponenter i en rad biologiska maskiner.

Deoxiribonukleinsyra eller "DNA" bär den genetiska informationen som vi, och alla levande organismer, använda för att fungera. Det kommer vanligtvis i form av den berömda dubbel-helix-formen, består av två enkelsträngade DNA-molekyler vikta till en spiral. Var och en av dessa består av en serie med fyra olika typer av molekylkomponenter:adenin (A), guanin (G), tymin (T), och cytosin (C).

Gener består av olika sekvenser av dessa byggstenskomponenter, och ordningen i vilken de förekommer i en DNA -sträng är det som kodar för genetisk information. Men genom att exakt designa olika A, G, T- och C -sekvenser, forskare har nyligen kunnat utveckla nya sätt att vika DNA till olika origami -former, bortom den konventionella dubbla spiralen.

Detta tillvägagångssätt har öppnat nya möjligheter att använda DNA utöver dess genetiska och biologiska syfte, förvandla det till ett Lego-liknande material för att bygga föremål som bara är några miljarder meter i diameter (nanoskala). DNA-baserade material används nu för en mängd olika applikationer, allt från mallar för elektroniska nano-enheter, till sätt att exakt transportera läkemedel till sjuka celler.

DNA-baserade nanotermometrar

Att designa elektroniska enheter som bara är nanometer stora öppnar upp alla möjliga tillämpningar men gör det svårare att upptäcka defekter. Som ett sätt att hantera detta, forskare vid University of Montreal har använt DNA för att skapa ultrakänsliga nanoskala -termometrar som kan hjälpa till att hitta små hotspots i nanodevices (vilket skulle indikera en defekt). De kan också användas för att övervaka temperaturen inuti levande celler.

Nanotermometrarna är gjorda med hjälp av DNA -slingor som fungerar som switchar, vikning eller utfällning som svar på temperaturförändringar. Denna rörelse kan detekteras genom att fästa optiska sonder till DNA. Forskarna vill nu bygga dessa nanotermometrar till större DNA -enheter som kan fungera inuti människokroppen.

Biologiska nanoroboter

Forskare vid Harvard Medical School har använt DNA för att designa och bygga en nanoserad robot som fungerar som ett läkemedelsleveransfordon för att rikta in sig på specifika celler. Nanoroboten kommer i form av en öppen fat gjord av DNA, vars två halvor är anslutna med ett gångjärn som hålls stängt av speciella DNA -handtag. Dessa handtag kan känna igen kombinationer av specifika proteiner som finns på cellens yta, inklusive sådana som är associerade med sjukdomar.

När roboten kommer i kontakt med rätt celler, den öppnar behållaren och levererar sin last. När den appliceras på en blandning av friska och cancerösa mänskliga blodkroppar, dessa robotar visade förmågan att rikta och döda hälften av cancercellerna, medan de friska cellerna lämnades oskadade.

Bio-datorer hos levande djur

Eftersom DNA -strukturer kan fungera som switchar, flytta från en position till en annan och tillbaka igen, de kan användas för att utföra de logiska operationer som gör datorberäkningar möjliga. Forskare vid Harvard och Bar-Ilan University i Israel har använt denna princip för att bygga olika nanoskalrobotar som kan interagera med varandra, använder sina DNA -switchar för att reagera på och producera olika signaler.

Vad mer, forskarna implanterade robotarna i ett levande djur, i detta fall en kackerlacka. Detta gjorde det möjligt för dem att utveckla en ny typ av biologisk dator som kan styra leveransen av terapeutiska molekyler inuti kackerlackan genom att koppla in element i deras struktur "på" eller "av". En prövning av dessa DNA -nanoroboter är nu planerad att äga rum hos människor.

Lättskördande antenner

Förutom att skapa små maskiner, DNA kan ge oss ett sätt att kopiera naturliga processer på nanoskala. Till exempel, naturen kan fånga energi från solen med hjälp av fotosyntes för att omvandla ljus till kemisk energi, som fungerar som bränsle för växter och andra organismer (och djuren som äter dem). Forskare vid Arizona State University och University of British Columbia har nu byggt en DNA-struktur med tre armar som kan fånga och överföra ljus som efterliknar denna process.

Fotosyntes sker i levande organismer tack vare små antenner som består av ett stort antal pigmentmolekyler vid specifika orienteringar och avstånd från varandra, som kan absorbera synligt ljus. De artificiella DNA-baserade strukturerna fungerar som liknande antenner, styr positionen för specifika färgmolekyler som absorberar ljusenergin och kanaliserar den till ett reaktionscentrum där den omvandlas till kemisk energi. Detta arbete kan bana väg för enheter som mer effektivt kan använda den rikaste energikällan vi har till vårt förfogande:solljus.

Så vad är nästa för DNA -nanoteknik? Det är svårt att veta men, med DNA, naturen har gett oss ett mycket mångsidigt verktyg. Det är nu upp till oss att utnyttja det på bästa sätt.

Denna berättelse publiceras med tillstånd av The Conversation (under Creative Commons-Attribution/Inga derivat).