Ученые показали возможность создания молекулярных машин на базе молекул ДНК, которые могут автономно функционировать в пространстве и выполнять определенные задачи, востребованные, к примеру, в медицине, говорится в 2-ух независимых статьях исследователей, опубликованных в журнале Nature.
Авторы первой из них, междисциплинарная группа ученых из США возглавляемое Милана Стояновича (Milan Stojanovic) из Колумбийского университета, разработали на базе белковых молекул и молекул ДНК четырехногого робота, способного сам перемещаться вдоль пути, размеченного на поверхности при помощи специальных отрезков ДНК. В собственной статье ученые описывают, как их робот сам проделал в пределах 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 результат и выполнять действие на базе этих чувств", - сообщил Эрик Уинфри (Erik Winfree), соавтор Стояновича, слова которого приведет 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 при помощи 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 2-ух отрезков ДНК в короткие двухцепочные спирали и "отрезании" ДНКзимом на конце "лапы паука" фрагмента от ДНК, прикрепленной к поверхности. Потом этого две молекулы ДНК расходятся, совершая то есть один шаг робота.
После того, как этот шаг сделан, повторное взаимодействие ДНКзима с этой ДНК на поверхности приведет 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 приведет к фиксации робота.
"Можете представить себе такого паука, несущего лекарство и прикрепляющегося, к примеру, к клеточной мембране, паук обнаруживает рецептор на ее поверхности и запускает работу лекарства", - сообщил Хао Ян (Hao Yan), соавтор Стояновича.
"Однако, до подобных молекулярных машин нам еще далеко, потребуется еще может быть 100 лет прогресса, прежде чем они найдут использование", - добавил Стоянович.
Вторая работа, автором которой есть коллектив ученых возглавляемое Неда Симана (Ned Seeman) из Нью-Йоркского университета, описывает похожую машину на базе ДНК, которая выполняет возможности автомобильного конвейера.
На основе похожих принципов, Симаном и его коллегами при помощи отрезков была размечена дорожка на поверхности, вдоль которой перемещалось похожее на паука Стояновича четырехногое шасси. Отличие этого шасси от паука состоит в том, что перемещается оно вдоль дорожки не сам, а в результате "ручного" добавления в систему, 2-ух новых типов молекул ДНК извне. Эти молекулы или соединяются с "ногами" шасси и ДНК на поверхности, фиксируя машину на месте, или разрушают эти связи, высвобождая шасси для передвижения.
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, и также увеличение его длины с тем, чтоб сделать финальный итог сборки еще больше тяжелым", - сообщил Симан, слова которого приведет интернет-портал Chemistry World.
