Пауки в наномасштабе: молекулы, которые ведут себя как роботы

Международная команда учёных создала автономного молекулярного «робота» из ДНК, который способен стартовать, двигаться, поворачивать и останавливаться, следуя по ДНК-дорожке. Разработка может привести к созданию молекулярных систем для терапевтических устройств и перестраиваемых роботов молекулярного масштаба.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Как работает молекулярный робот

Команда запрограммировала поведение молекулы, разместив информационные сигналы не в самом «роботе», а в окружающей его среде. Для этого использовалась технология ДНК-оригами — самосборных структур из ДНК, которым можно придавать почти любую форму. В данном случае использовался прямоугольник толщиной 2 нанометра (нм) и размером около 100 нм с каждой стороны.

На этой ДНК-дорожке исследователи разместили «хлебные крошки» — одноцепочечные молекулы ДНК (олигонуклеотиды), выступающие от основной структуры. Эти последовательности служат командами: старт, иди, поверни налево, остановись.

«Паук» из ДНК и белка

Молекулярный робот, названный «пауком», был создан на основе белка стрептавидина, к которому присоединили четыре «ноги» из ДНК. Три «ноги» представляют собой ферментативную ДНК, которая связывается и разрезает определённую последовательность на дорожке. Четвёртая «нога» — стартовая нить — удерживает робота в начальной точке.

После активации триггерной нитью паук начинает движение: он связывается с «хлебной крошкой» на дорожке, разрезает её, освобождает ногу и находит следующую цель. Робот останавливается, когда встречает участок ДНК, который может связать, но не может разрезать.

Достижения и перспективы

Этот молекулярный паук способен сделать около 50 шагов, пройдя до 100 нм, что значительно больше, чем у предыдущих ДНК-«ходоков» (3 шага). Учёные напрямую наблюдали за его движением с помощью атомно-силовой и флуоресцентной микроскопии одиночных молекул и смогли запрограммировать четыре разных маршрута.

Следующие научные задачи — увеличить скорость движения, улучшить программируемость для принятия более сложных решений и добавить второго «паука», чтобы роботы могли взаимодействовать друг с другом и совместно выполнять задачи.

В отдалённой перспективе такие системы могут быть использованы для создания медицинских терапевтических устройств, например, для доставки лекарств к конкретным рецепторам на клеточной мембране или ремонта повреждённых тканей. Однако, как отмечают авторы, до практических применений могут пройти десятилетия.