Ученые создали на основе молекул ДНК нано-робота

Ученые показали возможность создания молекулярных машин на основе молекул ДНК, которые могут автономно функционировать в пространстве и выполнять определенные задачи, востребованные, например, в медицине, сообщается в двух независимых статьях исследователей, опубликованных в журнале Nature.

Авторы первой из них, междисциплинарная группа ученых из США под руководством Милана Стояновича (Milan Stojanovic) из Колумбийского университета, создали на основе белковых молекул и молекул ДНК четырехногого робота, способного самостоятельно перемещаться вдоль пути, размеченного на поверхности с помощью специальных отрезков ДНК. В своей статье ученые описывают, как их робот самостоятельно проделал около 50 шагов, переместившись в пространстве в заданном направлении на 100 нанометров, существенное расстояние для молекулы.

"Эта молекула подпадает под определение робота: машины, способной чувствовать окружающую среду, принимать решение и выполнять действие на основе этих чувств", - сказал Эрик Уинфри (Erik Winfree), соавтор Стояновича, слова которого приводит пресс-служба Калифорнийского технологического института.

Робот представляет собой белковую молекулу, к четырем "концам" которой прикреплены короткие отрезки специфических молекул ДНК, так называемых "ДНКзимов". Эти молекулы могут взаимодействовать с другими отрезками ДНК, отрезая от них часть в соответствии с принципом комплементарности. Разместив нужные отрезки ДНК на гладкой поверхности с помощью технологии "ДНК-оригами", ученые разметили путь, по которому их "четырехногому пауку" предстояло двигаться.

В ходе эксперимента ученые показали, что ДНКзимы на концах "лап" молекулярного "паука" взаимодействуют с ДНК, прикрепленными к поверхности. Это взаимодействие заключается в соединении двух отрезков ДНК в короткие двухцепочные спирали и "отрезании" ДНКзимом на конце "лапы паука" фрагмента от ДНК, прикрепленной к поверхности. После этого две молекулы ДНК расходятся, совершая таким образом один шаг робота.

После того, как этот шаг сделан, повторное взаимодействие ДНКзима с этой ДНК на поверхности приводит к образованию уже менее прочной двухцепочной спирали, а потому с химической точки зрения роботу выгоднее совершить еще один шаг вперед вдоль разметки. Это достигается "нащупыванием" (хаотическими тепловыми движениями) "лапой" нового еще не "обрезанного" фрагмента ДНК на поверхности.

При этом, начало и конец пути отмечены специальными фрагментами ДНК, взаимодействие с которыми приводит к фиксации робота.

"Можете представить себе такого паука, несущего лекарство и прикрепляющегося, например, к клеточной мембране, паук обнаруживает рецептор на ее поверхности и запускает работу лекарства", - сказал Хао Ян (Hao Yan), соавтор Стояновича.

"Впрочем, до подобных молекулярных машин нам еще далеко, потребуется еще может быть 100 лет прогресса, прежде чем они найдут применение", - добавил Стоянович.

Вторая работа, автором которой является коллектив ученых под руководством Неда Симана (Ned Seeman) из Нью-Йоркского университета, описывает похожую машину на основе ДНК, которая выполняет функции автомобильного конвейера.

На основе похожих принципов, Симаном и его коллегами с помощью отрезков была размечена дорожка на поверхности, вдоль которой перемещалось похожее на паука Стояновича четырехногое шасси. Отличие данного шасси от паука состоит в том, что перемещается оно вдоль дорожки не самостоятельно, а в результате "ручного" добавления в систему, двух новых типов молекул ДНК извне. Эти молекулы либо соединяются с "ногами" шасси и ДНК на поверхности, фиксируя машину на месте, либо разрушают эти связи, высвобождая шасси для перемещения.

Вдоль пути, по которому следует это шасси, Симаном были размещены три манипулятора: конструкции из ДНК-оригами, способные, в зависимости от внешних условий, на присоединение к шасси груза - наночастицы золота фиксированного размера. В результате, к концу конвейера шасси могло приехать с тремя грузами на борту, двумя или одним из трех. Иными словами, конвейер Симана позволяет собирать молекулярные машины разной конфигурации.

"Следующим нашим шагом будет создание конвейера, выпускающего молекулярные машины во внешнее пространство, а также увеличение его длины с тем, чтобы сделать конечный результат сборки еще более сложным", - сказал Симан, слова которого приводит интернет-издание Chemistry World.