Микроскопические «цветы» из ДНК смогут доставлять лекарства точно в цель
Исследователи из Университета Северной Каролины создали микроскопических мягких роботов в форме цветов, которые могут менять форму и поведение в ответ на окружающую среду, подобно живым организмам. Эти крошечные «цветы ДНК» сделаны из специальных кристаллов, образованных комбинацией ДНК и неорганических материалов. Они могут обратимо складываться и раскрываться за секунды, что делает их одними из самых динамичных материалов, когда-либо созданных в таком малом масштабе.
Работа опубликована в Nature Nanotechnology.
ДНК каждого цветка действует как крошечная компьютерная программа, указывая, как двигаться и реагировать на окружающий мир. Когда среда меняется, например, повышается или понижается кислотность, цветок может открыться, закрыться или запустить химическую реакцию. Это означает, что такие роботы на основе ДНК однажды смогут самостоятельно выполнять задачи — от доставки лекарств до очистки от загрязнений.
«Люди хотели бы иметь умные капсулы, которые автоматически активируют лекарство при обнаружении болезни и останавливаются после излечения. В принципе, это возможно с нашими материалами, меняющими форму», — говорит доктор Ронит Фриман, старший и ответственный автор статьи, директор лаборатории Фриман в UNC.
«В будущем проглатываемые или имплантируемые цветы, меняющие форму, можно будет спроектировать для доставки целевой дозы лекарств, проведения биопсии или очистки тромба».
Идея была вдохновлена природными процессами, такими как раскрытие лепестков цветов, пульсация кораллов и формирование тканей в живых организмах. Исследователи хотели воспроизвести это сложное поведение в искусственных материалах — задача, которая долгое время ставила в тупик ученых, работающих в микроскопических масштабах.
«Мы черпаем вдохновение в природных конструкциях, таких как цветущие цветы или растущая ткань, и переводим их в технологии, которые однажды смогут думать, двигаться и адаптироваться самостоятельно», — сказала Фриман.
Ключ к успеху — в том, как ДНК расположена внутри кристаллов в форме цветов. Когда окружающая среда становится более кислой, части ДНК плотно сворачиваются, заставляя цветок закрыться. Когда условия возвращаются к норме, ДНК ослабляется, и лепестки снова раскрываются. Это простое, но мощное движение можно использовать для управления химическими реакциями, переноса и высвобождения молекул или взаимодействия с клетками и тканями.
Хотя технология все еще находится на ранней стадии тестирования, команда видит захватывающие возможности для будущего применения. Однажды эти цветы ДНК можно будет ввести в организм, где они направятся к опухоли. Попав туда, повышенная кислотность опухоли может заставить лепестки закрыться, высвобождая лекарство или беря крошечный образец ткани. Когда опухоль рассосется, цветы снова откроются и деактивируются, готовые среагировать, если болезнь вернется.
Помимо медицины, эти умные материалы можно использовать для ликвидации экологических катастроф, высвобождая очищающие агенты в загрязненную воду, а затем безвредно растворяясь после выполнения задачи. Они даже могут хранить огромные объемы цифровой информации — до двух триллионов гигабайт всего в одной чайной ложке, предлагая более экологичный и эффективный способ хранения, чтения и записи данных в будущем.
Этот прорыв знаменует собой важный шаг к созданию материалов, способных ощущать и реагировать на окружающую среду, сокращая разрыв между живыми системами и машинами.