Нанорука

Немецкие ученые под руководством Энцо Коппергера (Enzo Kopperger) из Мюнхенского технического университета разработали роботизированную наноруку из молекул ДНК, которая управляется с помощью внешнего электрического поля. С помощью такой системы можно передвигать молекулы или наночастицы на несколько десятков нанометров всего за несколько миллисекунд, что на пять порядков быстрее, чем при использовании молекулярных роботов из ДНК, управляемых химическими способами, пишут ученые в статье в Science.

Ученые собрали роботизированную наноруку длиной 25 нанометров, состоящую из шести спиралей ДНК. Такая нанороборука из ДНК закрепляется одним своим концом на платформе размером 55 на 55 нанометров, тоже собранной из молекул ДНК с помощью методики ДНК-оригами. За счет того, что молекула ДНК является заряженной, изменяя внешнее электрическое поля, можно изменять ее ориентацию в пространстве.

Благодаря возможности образования комплементарных связей между азотистыми основаниями, молекулы ДНК можно использовать для создания сложных полимерных систем с заданной структурой и нужным расположением функциональных групп. Например, такой механизм используется в методике ДНК-оригами, с помощью которой можно собирать молекулярные структуры для медицинских препаратов или люминесцентных систем. Подобный подход ученые также предлагают использовать для создания молекулярных роботов, которые могут выполнять несложные операции с нанообъектами.

Однако пока не удавалось избавиться от главного недостатка химически управляемых устройств — низкой скорости работы.

Чтобы управлять величиной и направлением электрического поля можно было с достаточной точностью, структуру с ДНК-роборукой химики помещали в микрофлюидное устройство, в котором с помощью системы электродов электрическое поле программно переключалось в нужной последовательности. В результате ученым удалось добиться, что переключение между различными состояниями молекулярной роборуки происходило всего за несколько миллисекунд. По словам ученых, это позволяет выполнять операции (простой поворот руки или перемещение с ее помощью простейших биомолекул и наночастиц) со скоростью примерно на пять порядков выше, чем у других нанороботов на основе ДНК, что соизмеримо со скоростью биогибридных устройств на основе молекул АТФ.

По утверждению авторов работы, длина одной руки из ДНК может быть увеличена с 25 до 400 нанометров. Таким образом, изменение ее ориентации можно использовать для перемещения отдельных молекул или наночастиц на расстояние вплоть до нескольких десятков нанометров. При этом, если объединить несколько таких ДНК-нанорук в единый массив, то можно создать устройство для выполнения более сложных задач, чем перемещение одной молекулы. За счет размещения на единой платформе наноэлектродов, каждой из нанорук можно будет управлять отдельно, поэтому такие массивы ДНК-нанорук, по словам ученых, можно будет использовать в качестве системы для многостадийных операций или хранения информации, которая кодируется электрическим полем с помощью ориентации.

Ученые сравнивают разработанную ДНК-наноруку с другими устройствами, которые могут совершать операции с нанообъектами, в частности оптическим пинцетом и зондом атомно-силового микроскопа, и отмечают, что изменение электрического поля не только позволяет ускорить операции с нанообъектами, но и упрощает способ получения молекулярных роботов и снижает связанные с этим затраты.

Подходы, основанные на соединении между собой молекул ДНК за счет комплементарных связей сейчас научились использовать для получения довольно больших трехмерных систем заданной геометрии (суммарной массой до гигадальтона), так и для создания упорядоченных двумерных массивов с четко управляемым положением функциональных частиц с нанометровым разрешением.

Согласно исследованию, нанорука в настоящее время является наиболее высокоскоростным роботизированным устройством в мире – скорость ее работы превышает любые другие устройства минимум в пять раз, сообщается в журнале Science
Александр Дубов

Источники: Kopperger E, Madhira S., Rothfischer F. and all.
A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields. Science, vol. 359, Issue 6373, pp. 296-301.
DOI: 10.1126/science.aao4284 http://science.sciencemag.org/content/359/6373/296
https://nplus1.ru/news/2018/01/19/dna-robotic-arm
https://tvzvezda.ru/news/vstrane_i_mire/content/201801210339-1lqf.htm