Konceptuell illustration av två DNA-robotar som tillsammans utför en lastsorteringsuppgift på en DNA-origamiyta, transporterar fluorescerande molekyler med olika färger från initialt oordnade platser till separerade destinationer. En betydande konstnärlig licens har tagits. Kredit:Demin Liu
Föreställ dig en robot som kan hjälpa dig att städa ditt hem:ströva omkring, sortera strumpor i tvätten och smutsig disk i diskmaskinen. Även om en sådan praktisk hjälpare fortfarande kan vara science fiction, Caltech-forskare har utvecklat en autonom molekylär maskin som kan utföra liknande uppgifter - på nanoskala. Denna "robot, "gjord av en enda DNA-sträng, kan självständigt "gå" runt en yta, plocka upp vissa molekyler och lämna dem på anvisade platser.
Arbetet utfördes i Lulu Qians laboratorium, biträdande professor i bioteknik. Det visas i en tidning i 15 september-numret av Vetenskap .
Varför Nanobots?
"Precis som elektromekaniska robotar skickas iväg till avlägsna platser, som Mars, vi skulle vilja skicka molekylära robotar till små platser dit människor inte kan gå, som blodomloppet, " säger Qian. "Vårt mål var att designa och bygga en molekylär robot som kunde utföra en sofistikerad nanomekanisk uppgift:lastsortering."
Hur man bygger en molekylär robot
Leds av tidigare doktorand Anupama Thubagere (PhD '17), forskarna konstruerade tre grundläggande byggstenar som kunde användas för att montera en DNA-robot:ett "ben" med två "fötter" för att gå, en "arm" och "hand" för att hämta last, och ett segment som kan känna igen en specifik avlämningspunkt och signalera till handen att släppa sin last. Var och en av dessa komponenter är gjord av bara några få nukleotider i en enda DNA-sträng.
I princip, dessa modulära byggstenar kunde sättas ihop på många olika sätt för att utföra olika uppgifter – en DNA-robot med flera händer och armar, till exempel, kan användas för att bära flera molekyler samtidigt.
I arbetet som beskrivs i Science paper, Qian-gruppen byggde en robot som kunde utforska en molekylär yta, plocka upp två olika molekyler - ett fluorescerande gult färgämne och ett fluorescerande rosa färgämne - och distribuera dem sedan till två distinkta regioner på ytan. Genom att använda fluorescerande molekyler kunde forskarna se om molekylerna hamnade på sina avsedda platser. Roboten sorterade framgångsrikt sex spridda molekyler, tre rosa och tre gula, till sina rätta platser inom 24 timmar. Att lägga till fler robotar till ytan förkortade tiden det tog att slutföra uppgiften.
Konceptuell illustration av en DNA-robot som sorterar två typer av laster. En betydande konstnärlig licens har tagits. Kredit:Ella Maru Studio, scientific-illustrations.com
"Även om vi demonstrerade en robot för denna specifika uppgift, samma systemdesign kan generaliseras till att fungera med dussintals typer av laster på valfri godtycklig initial plats på ytan, " säger Thubagere. "Man kan också ha flera robotar som utför olika sorteringsuppgifter parallellt."
Design genom DNA
Nyckeln till att designa DNA-maskiner är det faktum att DNA har unika kemiska och fysikaliska egenskaper som är kända och programmerbara. En enkel DNA-sträng består av fyra olika molekyler som kallas nukleotider – förkortat A, G, C, och T—och arrangerade i en sträng som kallas en sekvens. Dessa nukleotider binder i specifika par:A med T, och G med C. När en enkel sträng möter en så kallad omvänd komplementär sträng — t.ex. CGATT och AATCG – de två trådarna dras ihop i den klassiska dubbelspiralformen.
En enda sträng som innehåller de rätta nukleotiderna kan tvinga två delvis zippade strängar att lossa från varandra. Hur snabbt varje zippning och uppackning sker och hur mycket energi den förbrukar kan uppskattas för en given DNA-sekvens, gör det möjligt för forskare att kontrollera hur snabbt roboten rör sig och hur mycket energi den använder för att utföra en uppgift. Dessutom, längden på en enkel tråd eller två dragkedjor kan beräknas. Således, benet och foten på en DNA-robot kan designas för en önskad stegstorlek – i det här fallet, 6 nanometer, vilket är ungefär hundra miljondelar av en människas stegstorlek.
Genom att använda dessa kemiska och fysikaliska principer, forskare kan designa inte bara robotar utan också "lekplatser, "såsom molekylära pegboards, att testa dem på. I det pågående arbetet, DNA-roboten rör sig runt på en 58-nanometer-x-58-nanometer pinnboard där pinnarna är gjorda av enkla DNA-strängar som kompletterar robotens ben och fot. Roboten binder till en pinne med sitt ben och en av sina fötter – den andra foten flyter fritt. När slumpmässiga molekylära fluktuationer gör att denna fria fot stöter på en närliggande tapp, it pulls the robot to the new peg and its other foot is freed. This process continues with the robot moving in a random direction at each step.
It may take a day for a robot to explore the entire board. Längs vägen, as the robot encounters cargo molecules tethered to pegs, it grabs them with its "hand" components and carries them around until it detects the signal of the drop-off point. The process is slow, but it allows for a very simple robot design that utilizes very little chemical energy.
Futuristic Applications
"We don't develop DNA robots for any specific applications. Our lab focuses on discovering the engineering principles that enable the development of general-purpose DNA robots, " says Qian. "However, it is my hope that other researchers could use these principles for exciting applications, such as using a DNA robot for synthesizing a therapeutic chemical from its constituent parts in an artificial molecular factory, delivering a drug only when a specific signal is given in bloodstreams or cells, or sorting molecular components in trash for recycling."
