Łabędzie z DNA

Czy naukowcy są w stanie konstruować z DNA jak z „klocków”? Okazuje się, że tak. Zespół Georga Churcha w 2012 roku opublikował wyniki swoich badań nad nanobotem skonstruowanym przy użyciu techniki orgiami DNA. Metoda ta została przedstawiona przez Paula Rothemunda sześć lat wcześniej. Nazwa „orgie” nie pojawia się tutaj przypadkiem, nici bowiem układa i zagina przestrzennie, aby otrzymać oczekiwaną konformację. Najpierw planuje się dłuższe sekwencje stanowiące rusztowanie, następnie krótsze na złączach, stanowiące swoiste zawiasy. Element projektowania stanowi najtrudniejszą fazę całego eksperymentu. Początkowo były to figury dwuwymiarowe, z czasem jednak badaczom udało się otrzymywać kształty w 3D. Naukowcy uzyskali trójwymiarowe pudełko, zdolne do przenoszenia wewnątrz siebie ładunku i jego kontrolowanego uwalniania za pomocą zamka z aptamerów. W tym przypadku mechanizm otwierał się po związaniu ze swoistym antygenem. Oprócz „drug delivery” boty znalazły zastosowanie również do biowizualizacji, zamykając w nich kwantowe kropki lub cząsteczki sygnalne, można monitorować transport substancji w komórce.

Najmniejszy silnik świata i syntetyczna ameba

Kolejny ważny krok należał do badaczy z Uniwersytetu Cambridge. Udało im się opracować mały mechanizm o wielkości zaledwie kilku mikrometrów. Składa się on z polimeru związanego z nanocząstkami złota. Zasada jego działania jest prosta. Kiedy robot zostaje ogrzany do danej temperatury przy pomocy laseru, magazynuje energię sprężystości, następnie w ułamku sekundy w wyniku oddziaływań sprężystych, pozbywa się wody z żelu i zapada się. W wyniku tej reakcji nanopłatki łączą się z sobą w skupiska, zaś gdy polimerowe rusztowanie przetwornika zostaje schłodzone, pobiera ono wodę, a następnie wyrzuca na zewnątrz nanocząstki. Profesor Jeremy Baumberg dostrzega w tej reakcji podobieństwo do mrówek, które potrafią generować dużą siłę w stosunku do własnej małej masy, nazwał swoje odkrycie ANTs jako skrót od „Actuating Nano-Transducers”.

Mikrosilniki znalazły także zastosowanie w medycynie wspomaganego rozrodu. Naukowcom z Niemiec udało się stworzyć zewnętrzny system napędzający, który chwyta i przenosi do wnętrza komórki jajowej żywego plemnika z uszkodzoną witką. Konstrukcja ma kształt helisy i wykonana jest z powleczonego metalem polimeru. Zaletami tej metody jest możliwość zdalnego sterowania a przy tym ma ona charakter nietoksyczny i nie uszkadza komórek.

Rysunek1. Transport plemnika z uszkodzonymi funkcjami motorycznymi do komórki jajowej. Zródło:Medina-Sanchez M., Schwarz L., i wsp. Cellular Cargo Delivery: Toward Assisted Fertilization by Sperm-Carrying Micromotors.Nanoletters. 2016. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04221

Inny pomysł na wykorzystywanie mikromaszyn ma zespół Shin-ichiro Nomury, który w tym roku opublikował w „Science Robotics” efekty swoich badań. Stworzyli ameboidalnego, zdolnego do ruchu robota w kształcie pęcherzyka. Rusztowanie zbudowane było z biopolimeru, w którego skład wchodziły: dwuwarstwa lipidowa, białka, mikrotubule i kinezyny. Twór posiadał układ sterujący oraz kontrolujące go sprzęgło (aktywator), wykonane z DNA. Aktywator przekazywał siłę do błony w odpowiedzi na cząsteczkę sygnalną, zaprojektowaną z innej nici modyfikowanego chemicznie kwasu deoksyrybonukleinowego. Gdy sprzęgło zostało związane, polimerowa konstrukcja zmieniała konformację. Aby móc kontrolować uwalnianie molekuł na zewnątrz zastosowano bodziec świetlny. Skutkowało to odłączeniem sprzęgła i mikrourządzenie zaprzestawało modyfikacji kształtu. Naukowcy przewidzieli także mechanizm odwrotny, aby zmiany były odwracalne a konstrukcja mogła znów się poruszać.

Co dalej?

Tworzenie inteligentnych mikrostruktur jest procesem skomplikowanym technicznie. Siły w tym rozmiarze są o wiele wolniejsze i słabsze, tudzież występują problemy ze sprawowaniem nad nimi kontroli. Naukowcy jednak nie dają za wygraną i biorobotyka w mikro skali pomimo takich trudności prężnie się rozwija. Duży postęp umożliwia tworzenie urządzeń, zachowujących się jak układy sterujące, bramki logiczne czy sensory. Inżynierowie mają nadzieję, że w przyszłości uda skonstruować się w pełni sterowane, ruchliwe, biokompatybilne boty. Takie, które będą potrafiły wykonywać konkretne zadania w organizmie - od dostarczania leków, po transport komórek w dane miejsca czy pościg za drobnoustrojami.

Justyna Roth