Forskare har tagit fram ett magnetiskt styrsystem för att få små DNA-baserade robotar att flytta på begäran-och mycket snabbare än nyligen möjligt.

I journalen Naturkommunikation , Carlos Castro och Ratnasingham Sooryakumar och deras kollegor från Ohio State University rapporterar att styrsystemet reducerade responstiden för prototyp nano-robotkomponenter från flera minuter till mindre än en sekund.

Upptäckten representerar inte bara en betydande förbättring av hastigheten, detta arbete och en annan ny studie utropar den första direkt, realtidskontroll av DNA-baserade molekylära maskiner.

Upptäckten kan en dag göra det möjligt för nanorobotar att tillverka föremål-till exempel läkemedelsleverans-lika snabbt och pålitligt som deras motsvarigheter i full storlek. Tidigare, forskare kunde bara flytta DNA indirekt, genom att framkalla kemiska reaktioner för att locka det att röra sig på vissa sätt, eller introducera molekyler som omkonfigurerar DNA:t genom att binda med det. De processerna tar tid.

"Tänk dig att berätta för en robot i en fabrik att göra något och behöva vänta fem minuter för att utföra ett enda steg i en uppgift. Så var fallet med tidigare metoder för att kontrollera DNA-nanomaskiner, "sa Castro, docent i maskin- och rymdteknik.

"Manipuleringsmetoder i realtid som vårt magnetiska tillvägagångssätt gör det möjligt för forskare att interagera med DNA-nano-enheter, och i sin tur interagera med molekyler och molekylära system som skulle kunna kopplas till dessa nano-enheter i realtid med direkt visuell återkoppling. "

I tidigare arbeten, Castros team använde en teknik som kallas DNA origami för att vika enskilda DNA -delar för att bilda enkla mikroskopiska verktyg som rotorer och gångjärn. De byggde till och med en "trojansk häst" av DNA för att leverera läkemedel till cancerceller.

För denna nya studie, forskarna gick med Ratnasingham Sooryakumar, professor i fysik. Han utvecklade tidigare mikroskopiska magnetiska "pincetter" för att flytta biologiska celler i biomedicinska tillämpningar som genterapi. Pincetten var faktiskt gjord av grupper av magnetiska partiklar som rörde sig i synkronisering för att knuffa cellerna dit människor ville att de skulle gå.

De magnetiska partiklarna, medan den är osynlig för blotta ögat, var fortfarande många gånger större än en av Castros nanomaskiner, Sooryakumar förklarade.

"Vi hade upptäckt ett sätt att utnyttja kraften hos magnetiska krafter för att undersöka den mikroskopiska världen - en dold värld med häpnadsväckande komplexitet, "sa han." Men vi ville övergå från mikrovärlden till nanovärlden. Detta ledde till samarbetet med Dr Castro. Utmaningarna var att krympa funktionaliteten hos våra partiklar tusenfaldigt, koppla dem till exakta platser på maskinernas rörliga delar och införliva fluorescerande molekyler som fyrar för att övervaka maskinerna när de rör sig. "

För denna studie, laget byggde stavar, rotorer och gångjärn med DNA -origami. Sedan använde de stela DNA -spakar för att ansluta de nanoskopiska komponenterna till miniatyrpärlor gjorda av polystyren impregnerad med magnetiskt material. Genom att justera ett magnetfält, de fann att de kunde beordra partiklarna att svänga komponenter fram och tillbaka eller rotera dem. Komponenterna utförde de instruerade rörelserna på mindre än en sekund.

Till exempel, nanorotorn kunde snurra hela 360 grader på ungefär en sekund med kontinuerligt kontrollerad rörelse driven av ett roterande magnetfält. Nano-gångjärnet kunde stängas eller öppnas på 0,4 sekunder, eller hålls i en specifik vinkel med en precision på 8 grader.

Dessa rörelser kunde ha tagit flera minuter om de utförts med traditionella metoder, Sa Castro. Han föreställer sig att komplexa nanomaterial eller biomolekylära komplex en dag kan tillverkas i DNA-baserade nanofabriker som upptäcker och svarar på sin lokala miljö.

Studien väntade länge:Forskarna bestämde sig för att slå samman Sooryakumars magnetplattform med Castros DNA -enheter för år sedan. "Det krävdes mycket dedikerat arbete från flera studenter för att förverkliga den idén, och vi är glada att fortsätta bygga vidare på det. Denna studie visar ett spännande framsteg som bara var möjligt med detta tvärvetenskapliga samarbete. "Sa Castro.