Многофункциональные ДНК-нанороботы открывают путь к новым медицинским применениям
Международная группа исследователей из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене, Университета Эмори и Технологического института Джорджии создала новый класс автономных нанороботов, собранных из перестраиваемых массивов ДНК-оригами. В основу этих нанороботов легли сети связанных ДНК-элементов, способных находиться в двух состояниях. Эти массивы можно запрограммировать на реакцию на сигналы из окружающей среды. За основу разработки взяли перестраиваемые массивы, впервые представленные в 2017 году лабораторией Йонгганга Ке. Их потенциал как функциональных роботизированных систем увеличивался в течение нескольких лет исследований, посвященных изучению того, как изменяются их соединения.
Как сообщается в журнале Science Robotics, эта работа в области молекулярной робототехники открывает возможность программируемого выполнения многоэтапных задач, энергия для которых запасается непосредственно в самих структурах ДНК. Прорыв, приведший к созданию нового наноробота, стал заслугой аспиранток Фионы Коул и Мартины Пфайфер. Они осознали, что массивы ДНК-оригами можно рассматривать как программируемую аппаратную систему, где каждое соединение может функционировать как независимый блок. Они предложили модифицировать каждое соединение с помощью «блокирующих механизмов, модулей временной задержки, сигнальных модулей или модулей высвобождения груза», что действует как своего рода программное обеспечение, управляющее аппаратной частью на основе ДНК.
Исследователи также показали, что эти массивы можно заранее заряжать затравливающими цепочками ДНК, которые накапливают энергию в виде молекулярного напряжения. Как пояснил Йонгганг Ке, в результате получилась наномасштабная машина, работающая на «батарейке». Ещё одной уникальной чертой этой системы является её способность работать автономно, без дополнительной подпитки, благодаря предварительно запасённой энергии. Наномассивы содержат десятки соединённых переключающих элементов, каждый из которых можно настроить для выполнения определённых задач. Поскольку все блоки связаны между собой, они могут обмениваться информацией, что позволяет осуществлять сложные каскады сигналов и структурных изменений. Учёные продемонстрировали, что каждое соединение может работать самостоятельно, запуская сигналы или высвобождая небольшой груз по команде.
Хотя наноробот пока находится на стадии научной разработки, система обладает свойствами, которые могут сделать её пригодной для медицинского применения. Она может взаимодействовать с широким спектром молекул, белков и даже со светом, в отличие от многих предыдущих ДНК-нанотехнологий, ограниченных реакциями с нуклеиновыми кислотами. Способность массивов накапливать энергию и функционировать автономно дополнительно расширяет их потенциал. В будущем исследователи планируют адаптировать наноробота для работы в различных условиях и изучить альтернативные источники энергии, включая использование света и переход от плоской двумерной платформы к полностью трёхмерной системе.