Endast inom cancermedicin strävar läkare efter att attackera och döda legioner av en patients egna celler. Men friska åskådarceller fastnar ofta i dödlig korseld, vilket är anledningen till att cancerbehandlingar kan orsaka allvarliga biverkningar hos patienter.

Forskare letar efter smartare mediciner för att bara rikta sig mot de onda. En förhoppning är att små robotar i skala en miljarddels meter kan komma till undsättning, leverera läkemedel direkt till oseriösa cancerceller. För att göra dessa nanorobotar, forskare i Europa vänder sig till livets grundläggande byggstenar – DNA.

I dag, robotar finns i alla former och storlekar. En av de starkaste industrirobotarna kan lyfta bilar som väger över två ton. Men material som kisel är inte så passande i de minsta skalorna.

Även om du kan göra riktigt små mönster i fast kisel, du kan inte riktigt göra det till mekaniska enheter under 100 nanometer, säger professor Kurt Gothelf, kemist och DNA-nanoteknolog vid Aarhus Universitet i Danmark. Det är där DNA kommer in. "DNA-spiralens diameter är bara två nanometer, " säger Prof. Gothelf. En röd blodkropp är ungefär 6, 000 nanometer tvärs över.

Lego

Dr. Tania Patiño, en nanoteknolog vid universitetet i Rom i Italien, säger att DNA är som Lego. "Du har dessa små byggstenar och du kan sätta ihop dem för att skapa vilken form du vill, " förklarade hon. För att fortsätta analogin, DNA kommer i fyra olika färgade block och två av färgerna parar sig mitt emot varandra. Detta gör dem förutsägbara.

När du sätter ihop en rad DNA-block, en annan linje kommer att para ihop mittemot. Forskare har lärt sig hur man sätter ihop DNA på ett sådant sätt att de introducerar splittringar och böjningar. "Genom smart design, du grenar ut DNA-strängar så att du nu har tre dimensioner, " sade prof Gothelf. "Det är mycket lätt att förutsäga hur det viker sig."

Dr. Patiño utvecklar självgående DNA-nanorobotik i sitt projekt, DNA-Bots. "DNA är mycket justerbart, " sa hon. "Vi kan ha mjukvara som visar oss vilka sekvenser som producerar vilken form. Detta är inte möjligt med andra material i denna lilla skala."

Även om DNA-nanorobotar är långt ifrån att användas i människor, med professor Gothelf som sa att "vi kommer inte att se några läkemedel baserade på detta under de kommande tio åren, " framsteg görs i labbet. Redan forskare kan få en sträng DNA från ett virus, och designa sedan med hjälp av mjukvara kortare DNA-sträckor för att paras ihop med och böja strängen till en önskad form. "Denna fantastiska teknik kallas DNA-origami, " sa Prof. Gothelf. Det tillåter forskare att skapa 3D-robotar gjorda av DNA.

I ett tidigt genombrott, Prof. Gothelfs forskningslabb gjorde en DNA-låda med ett lock som öppnades. Senare, en annan grupp byggde en tunnformad robot som kunde öppnas när den kände igen cancerproteiner, och frisätter antikroppsfragment. Denna strategi eftersträvas så att en DNA-robot en dag kan närma sig en tumör, binda till den och släppa dess mördarlast.

"Med nanorobotar skulle vi kunna ha mer specifik leverans till en tumör, " sa Dr. Patiño. "Vi vill inte att våra läkemedel ska levereras till hela kroppen." Hon är i professor Francesco Riccis labb, som fungerar på DNA-enheter för detektion av antikroppar och leverans av läkemedel.

Under tiden, nätverket Prof. Gothelf leder upp, DNA-robotik, utbildar unga forskare att tillverka delar till DNA-robotik som kan utföra vissa åtgärder. Prof. Gothelf arbetar på en "bult och kabel" som liknar en handbroms på en cykel, där kraft på ett ställe gör en förändring i en annan del av DNA-roboten. En kritisk idé i nätverket är att plugga och spela, " vilket betyder att alla delar som byggs kommer att vara kompatibla i en framtida robot.

Blodomlopp

Förutom att utföra specifika funktioner, de flesta robotar kan röra sig. DNA-robotar är för små för att simma mot vårt blodomlopp, men det är fortfarande möjligt att skapa användbara små motorer med hjälp av enzymer.

Dr. Patiño utvecklade tidigare en DNA-nanoswitch som kunde känna av surheten i sin miljö. Hennes DNA-enhet fungerade också som en självgående mikromotor tack vare ett enzym som reagerade med vanliga ureasmolekyler som finns i våra kroppar och fungerade som en kraftkälla. "Den kemiska reaktionen kan producera tillräckligt med energi för att generera rörelse, " sa Dr. Patiño.

Rörelse är viktigt för att få nanorobotar dit de behöver vara. "Vi kan injicera dessa robotar i urinblåsan och de skördar den kemiska energin med hjälp av ureas och rör sig, " sade Dr. Patiño. I framtiden kommer en sådan rörelse att hjälpa dem att behandla en tumör eller ett sjukdomsställe med mer effektivitet än passiva nanopartiklar, som inte kan röra sig." Nyligen, Patiño och andra rapporterade att nanopartiklar utrustade med nanomotorer sprider sig jämnare än orörliga partiklar när de injiceras i blåsan på möss.

Istället för att simma genom blod, nanobotar kanske kan passera genom barriärer i vår kropp. De flesta problem med att leverera läkemedel beror på dessa biologiska barriärer, såsom slemhinnor, konstaterar Dr Patiño. Barriärerna är till för att hindra bakterier, men ofta blockerar droger. Dr. Patiños självgående DNA-robotar kan förändra dessa barriärers permeabilitet eller helt enkelt köra vidare genom dem.

Stabilitet

Nanopartiklar kan drivas ut från en patients urinblåsa, men det här alternativet är inte lika lätt på andra ställen i kroppen, där biologiskt nedbrytbara robotar som självförstör kan vara nödvändiga. DNA är ett idealiskt material, eftersom det lätt bryts ner inom oss. Men detta kan också vara en nackdel, eftersom kroppen snabbt kan tugga upp en DNA-bot innan den får jobbet gjort. Forskare arbetar med att belägga eller kamouflera DNA och stärka kemiska bindningar för att öka stabiliteten.

En annan potentiell nackdel är att nakna bitar av DNA kan ses av immunsystemet som tecken på bakteriella eller virala fiender. Detta kan utlösa en inflammatorisk reaktion. Hittills, ingen DNA-nanobot har någonsin injicerats i en person. Ändå, Prof. Gothelf är övertygad om att forskare kan komma runt dessa problem.

Verkligen, stabilitet och immunreaktion var hinder som utvecklarna av mRNA-vacciner – som levererar genetiska instruktioner till kroppen inuti en nanopartikel – var tvungna att komma över. "Moderna och Pfizer (BioNTech)-vaccinerna (för COVID-19) har en modifierad oligonukleotidsträng som är formulerad i en nano-vesikel, så det är nära att vara en liten nanorobot, " sa Prof. Gothelf. Han förutser en framtid där DNA-nanorobotar levererar droger till exakt där det behövs. Till exempel, ett läkemedel kan kopplas till en DNA-robot med en speciell länk som skärs av ett enzym som bara finns inuti vissa celler, på så sätt säkerställer att drogen frigörs på en exakt plats.

Men DNA-robotik är inte bara för nanomedicin. Prof. Gothelf blandar organisk kemi med DNA-nanobotar för att överföra ljus längs en tråd som bara är en molekyl bred. Detta skulle kunna miniatyrisera elektroniken ytterligare. DNA-bots kan hjälpa tillverkning i minsta skala, eftersom de kan placera molekyler i sinnet förbluffande små men exakta avstånd från varandra.

För nu dock, DNA-robotik för medicin är vad de flesta forskare drömmer om. "Du kan göra strukturer som är mycket mer intelligenta och mycket mer specifika än vad som är möjligt idag, ", sa Prof. Gothelf. "Detta har potential att göra en helt ny generation av läkemedel."