Перший робот ДНК в історії

Войцех Москаль

Невеликий крок першого робота ДНК — великий стрибок для людства. Так експерти описують досягнення науковців з Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech), які створили наноробота, що оперує в масштабі молекули ДНК.

Наноробот здатний переміщатися і переносити навантаження (наприклад, наночастки або речовини, що можуть лікувати ракові пухлини) з одного місця в інше. Про своє досягнення вчені повідомили у статті в журналі Science.

Уявіть собі ідеального робота, який допомагає вам у щоденних, особливо найнеприємніших, обов’язках, наприклад сортує шкарпетки після прання чи розкладає тарілки і столові прибори після миття посуду. Хоча наразі це перспектива science fiction, вчені з Caltech створили автономну молекулярну машину, яка здатна виконувати саме такі завдання. Наноробот, створений лише з однієї нитки ДНК, може переміщатися поверхнею, підносити вантажі (частинки) і транспортувати їх у заплановане місце, – стверджують біоінженери під керівництвом професора Лулу Цянь.

“Сьогодні люди відправляють складних механічних роботів у віддалені і недоступні місця, наприклад на Марс. Ми хотіли б робити так само — відправляти молекулярних роботів у важкодоступні мікроскопічні місця, до яких поки що неможливо дістатися, наприклад у віддалені капіляри кровоносних судин”, — каже Лулу Цянь.

Головним конструктором робота ДНК стала докторантка з лабораторії проф. Цянь Анупама Тубаґере. Разом з колегами вона створила три головні елементи наноробота — ногу з двома стопами, яка ходить по поверхні, плече з рукою, що підносить вантажі, та специфічний елемент, який розпізнає локацію, до якої має бути поданий вантаж. Кожен з цих елементів складається лишень з кількох нуклеотидів (молекулярних цеглинок, з яких утворена молекула ДНК).

Робот Тубаґере успішно транспортував два типи частинок, позначених жовтим та рожевим барвниками. Барвники були потрібні, щоб вчені могли пересвідчитись, що частинки потрапили до місця призначення. Робот посортував шість частинок — три рожеві і три жовті — по різних пунктах. Для цього йому знадобилося близько двадцяти чотирьох годин. Використання додаткових “кінцівок“, однак, дозволяє суттєво зменшити цей час. “В перспективі можна буде створити десятки таких роботів, які переноситимуть корисні вантажі в різні, довільно обрані нами місця”, — стверджує Анупама Тубаґере.

Принцип функціонування нанороботів ґрунтується на унікальних хімічних та фізичних властивостях молекули ДНК, які можна запрограмувати. Ланцюжок ДНК складається з чотирьох елементів з азотними основами, з яких дві пуринові (аденін — А і гуанін — Г) і дві пірамідинові (цитозин — Ц і тимін — Т). Ці основи утворюють комплементарні пари за схемою А-Т і Г-Ц. Якщо одна нитка містить нуклеотидну послідовність ЦГАТТ, то інша матиме її дзеркальне відображення ГЦТАА. Дві частково поєднані між собою нитки можна розірвати третьою, що нагадує розстібання блискавки. “Швидкість такого поєднання і розривання можна оцінити для кожної послідовності ДНК, і це, власне, дозволяє контролювати швидкість, з якою ДНК-робот рухається і виконує свої завдання”, — розповідають дослідники.

Щоб протестувати робота, вчені створили поле гри, яке в певному сенсі нагадує культову гру Mastermind. Це була поверхня розміром 56 на 56 нм з отворами, в яких розташували окремі нитки з кількох нуклеотидів. “Коли наш робот, що транспортує вагу-частинку, опинявся біля відповідного отвору, його аналізатор розпізнавав, чи це саме та послідовність, що визначає місце, в яке потрібно доставити частинку. Після цього робот переміщався далі в запрограмованому напрямку”, — пишуть автори дослідження. З одного боку, все це відбувалось досить повільно, але, з іншого, вчені змогли точно розподілити невеликий запас хімічної енергії, яким володів робот.

“Цей робот поки що не призначений для конкретних завдань. Нашою метою було опрацювання основних принципів його роботи. Сподіваємось, що в майбутньому такі роботи транспортуватимуть ліки до важкодоступних місць, зокрема дрібних кровоносних судин або навіть до конкретних клітин”, — каже проф. Цянь.