Хіміки зібрали швидку молекулярну роборуку з ДНК

Німецькі вчені розробили роботизовану наноруку з молекул ДНК, яка управляється за допомогою зовнішнього електричного поля. За допомогою такої системи можна пересувати молекули або наночастинки на кілька десятків нанометрів всього за кілька мілісекунд, що на п'ять порядків швидше, ніж при використанні молекулярних роботів з ДНК, керованих хімічними способами, пишуть вчені в статті в.

Завдяки можливості утворення комплементарних зв'язків між азотистими підставами, молекули ДНК можна використовувати для створення складних полімерних систем із заданою структурою і потрібним розташуванням функціональних груп. Наприклад, такий механізм використовується в методиці ДНК-орігамі, за допомогою якої можна збирати молекулярні структури для медичних препаратів або люмінесцентних систем. Подібний підхід вчені також пропонують використовувати для створення молекулярних роботів, які можуть виконувати нескладні операції з нанооб'єктами. Однак поки не вдається позбутися головного недоліку хімічно керованих пристроїв - низької швидкості роботи.

Група вчених під керівництвом Енцо Коппергера (Enzo Kopperger) з Мюнхенського технічного університету запропонувала використовувати для управління молекулярними роботизованими пристроями на основі ДНК електричне поле. Для цього хіміки зібрали роботизовану наноруку завдовжки 25 нанометрів, що складається з шести спіралей ДНК. Така нанороборука з ДНК закріплюється одним своїм кінцем на платформі розміром 55 на 55 нанометрів, теж зібраної з молекул ДНК за допомогою методики ДНК-орігамі. За рахунок того, що молекула ДНК є зарядженою, змінюючи зовнішнє електричне поля, можна змінювати її орієнтацію в просторі.

Щоб керувати величиною і напрямком електричного поля можна було з достатньою точністю, структуру з ДНК-роборукою хіміки поміщали в мікрофлюїдний пристрій, в якому за допомогою системи електродів електричне поле програмно перемикалося в потрібній послідовності. В результаті вченим вдалося домогтися, що перемикання між різними станами молекулярної роборуки відбувалося всього за кілька мілісекунд. За словами вчених, це дозволяє виконувати операції (простий поворот руки або переміщення з її допомогою найпростіших біомолекул і наночастинок) зі швидкістю приблизно на п'ять порядків вище, ніж у інших нанороботів на основі ДНК, що можна порівняти зі швидкістю біогібридних пристроїв на основі молекул АТФ.

За твердженням авторів роботи, довжина однієї руки з ДНК може бути збільшена з 25 до 400 нанометрів. Таким чином, зміна її орієнтації можна використовувати для переміщення окремих молекул або наночастинок на відстань аж до декількох десятків нанометрів. При цьому, якщо об'єднати декілька таких ДНК-нанорук в єдиний масив, можна створити пристрій для виконання більш складних завдань, ніж переміщення однієї молекули. За рахунок розміщення на єдиній платформі наноелектродів, кожною з нанорук можна буде керувати окремо, тому такі масиви ДНК-нанорук, за словами вчених, можна буде використовувати в якості системи для багатостадійних операцій або зберігання інформації, яка кодується електричним полем за допомогою орієнтації.

Вчені порівнюють розроблену ДНК-наноруку з іншими пристроями, які можуть здійснювати операції з нанооб'єктами, зокрема оптичним пінцетом і зондом атомно-силового мікроскопа, і відзначають, що зміна електричного поля не тільки дозволяє прискорити операції з нанооб'єктами, але і спрощує спосіб отримання молекулярних роботів і знижує пов'язані з цим витрати.

Підходи, засновані на з'єднанні між собою молекул ДНК за рахунок комплементарних зв'язків, зараз навчилися використовувати для отримання досить великих тривимірних систем заданої геометрії (сумарною масою до гігадальтона), так і для створення впорядкованих почесних масивів з чітко керованим положенням функціональних частинок з нанометровою роздільною здатністю.