Набор инструментов для создания динамических ДНК-наномашин

Новые наноустройства из ДНК, созданные в Техническом университете Мюнхена (TUM), — включая робота с подвижными руками, книгу, которая открывается и закрывается, переключаемую шестерню и актюатор — демонстрируют прорыв в использовании ДНК как программируемого строительного материала для нанометровых структур и машин. Результаты, опубликованные в журнале Science, показывают новый подход к соединению и реконфигурации модульных 3D-строительных блоков путём сцепления комплементарных форм, а не «застёгивания» цепочек комплементарных пар оснований. Это открывает путь к практическим наномашинам с движущимися частями и предлагает инструментарий, упрощающий программирование их самосборки.

Биовдохновленная гибкость

Вместо традиционного соединения через спаривание оснований (base-pairing) команда под руководством профессора Хендрика Дица адаптировала методы из природного биомолекулярного инструментария: комплементарность форм для сближения молекул и относительно слабые связи, которые можно легко разорвать. Они использовали слабый механизм связывания — стэкинг нуклеотидных оснований (nucleobase stacking), — чтобы «щёлкнуть» предварительно собранные 3D-блоки на место.

Это создало иерархию силы взаимодействий и возможность точно позиционировать стабильные домены для распознавания и связывания. Для управления формой и действием устройств доступны три метода, включая изменение концентрации положительных ионов в растворе и изменение температуры.

Демонстрация возможностей

• Наноробот: Трёхмерный наноразмерный гуманоидный робот, чьи «руки» можно переключать между открытым и закрытым положением, изменяя ионную силу раствора.
• Актюатор: Ножницеобразный актюатор, переключаемый температурой, выдержал более тысячи циклов за четыре дня без признаков деградации. Ранее системы на базе пар оснований изнашивались после нескольких циклов.
• Температурное управление как источник энергии: По словам Дица, температурные циклы — это способ вложить энергию в систему, что открывает возможность не только строить, но и питать наномашины, если обратимый переход связать с непрерывным процессом.

Программирование становится проще

Новый подход упрощает программирование самосборки. Если программирование только через спаривание оснований похоже на написание кода на машинном языке, то добавление комплементарности форм и слабых связей — это переход на язык программирования высокого уровня.

Диц сравнивает это со сборкой детского конструктора: «Вы проектируете компоненты так, чтобы они были комплементарны, и всё. Больше не нужно возиться с последовательностями пар оснований для соединения компонентов».