Достижения ДНК-робототехники

Работа двух групп американских исследователей придвинула ученых на один шаг ближе к созданию молекулярных роботов, способных выполнять сложные задания, такие как сборка биомолекул или доставка препаратов в ткани-мишени. Вернее, на целых полсотни шагов общей длиной аж 200 нанометров :)

Созданные авторами роботы на основе ДНК могут самостоятельно перемещаться по определенному маршруту или выстраивать различные наночастицы вдоль заданной линии сборки. Результаты работы описаны в статьях «A proximity-based programmable DNA nanoscale assembly line» и «Molecular robots guided by prescriptive landscapes», опубликованных в журнале Nature от 13 мая.

Описанный в первой из статей шагающий «ДНК-паук» способен перемещаться вдоль плоской поверхности, сформированной сложенной цепочкой ДНК, так называемой «ДНК-оригами». ДНК-паук представляет собой белковую молекулу, к которой прикреплены три «ноги» – одноцепочечные ДНКзимы, синтетические молекулы ДНК, обладающие ферментативными свойствами. Необходимую для перемещения энергию «паук» получает из химических реакций, в которые его одноцепочечные ДНК-ноги вступают с поверхностью ДНК-оригами. Чтобы сделать шаг, ноги ДНК-паука комплементарно связываются с формирующими поверхность цепочками ДНК. После этого они катализируют реакцию укорочения одной из этих цепочек, что ослабляет силу ее взаимодействия с соответствующей ногой. Это освобождает ногу, которая получает возможность сделать следующий шаг.

Авторы разработали ДНК-оригами, способное направлять движение ДНК-пауков по заранее заданному маршруту. Приведенный в заметке в The Scientist (DNA robots get sophisticated) видеоролик, созданный с помощью флуоресцентной микроскопии, демонстрирует перемещение ДНК-паука от отмеченного зеленым старта к обозначенному красным финишу. Каждая цветная точка показывает положение паука в определенный момент времени в течение 40-минутного периода наблюдения.

Новый шагающий ДНК-робот может сделать до 50 шагов, направление каждого из которых определяется ДНК-последовательностью поверхности, и останавливается при взаимодействии с последовательностью ДНК, которую он способен укоротить. Для сравнения, более ранние версии подобных роботов могли проделать всего 2-3 шага.

Исследователи утверждают, что им удалось создать ДНК-робота, реагирующего на сигналы окружающей среды и самостоятельно выполняющего заданную ему программу. В ближайшем будущем они планируют заняться расширением возможностей робота путем усложнения команд, получаемых роботом от поверхности. Конечной целью этой работы является использование ДНК-роботов для восстановления поврежденных тканей.

Авторы второй статьи разработали шагающего ДНК-робота другого типа. Их детище представляет собой структуру из ДНК, имеющую четыре ноги и три одноцепочечных руки, способных связывать золотые наночастицы. В отличие от автономного ДНК-паука, этот ДНК-робот является частью системы, помимо него включающей направляющие цепочки ДНК и линию сборки, состоящую из трех конструкций-носителей, каждая из которых содержит золотую наночастицу одного из трех типов.

Во время демонстрации работы описанной системы ДНК-робот проделывал путь длиной менее 200 нанометров вдоль линии сборки, собирая по дороге золотые наночастицы. Конструкции-носители можно программировать на удержание наночастицы, либо на ее передачу ДНК-роботу, поэтому результатом его путешествия могут быть восемь различных продуктов.

Одним из возможных направлений дальнейшей работы является использование результатов, полученных обеими группами авторов для создания боле сложного автономного ДНК-робота. Специалисты также считают, что для начала можно попытаться удлинить проделываемый роботами путь и усложнить их поведение.

Одной из популярных идей является использование ДНК-роботов для создания наноматериалов, получение которых с помощью традиционных методов невозможно. Еще одним возможным направлением работы является создание ДНК-роботов для прицельной доставки лекарственных препаратов. Однако все специалисты признают, что на сегодняшний день возможности практического применения подобных наноструктур не определены, а последние достижения, несмотря на всю их важность, являются не более чем «доказательством принципа».

Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам TechnologyReview: DNA Robots on the Move и The Scientist: DNA robots get sophisticated.

17.05.2010