Роботы из ДНК: биотехнологии в наномасштабе

«Подобно тому, как электромеханические роботы сейчас бороздят просторы космоса и исследуют ближайшие к Земле планеты, наши механизмы тоже отправятся туда, куда человек попасть не может — к примеру, в его собственную кровеносную систему», поясняет Лулу Цянь, профессор биоинженерии Калифорнийского технологического института и один из авторов исследования. По ее словам, цель работы заключалась в разработке и создании молекулярного робота, который мог бы выполнять «сложную наномеханическую задачу»: сортировку грузов.

Исследователи хотели создать роботов, которые могли бы собирать и сортировать молекулы в определенном участке пространства. С этой целью они создали трехчастного ДНК-робота всего из одной цепи ДНК. Чтобы обеспечить маневренность, конструкцию оснастили «ногой» с парой «ступней». В свою очередь, «рука» состояла из плеча, «кисти», которая позволяла удерживать и перетаскивать объекты, а также третьего компонента, сигнализирующего о том, что цель достигнута и что груз можно отпустить.

Чтобы проверить робота в деле, исследователи сетчатую поверхность из одиночных нитей ДНК, за которых крошечный работяга мог зацепиться ступней. Вторая ступня при этом болталась в пространстве до тех пор, пока робот самостоятельно не нащупает опору. Двигаясь таким образом, робот делал шаг примерно раз в пять минут, при этом ширина пройденной дистанции равнялась шести нанометрам. Столкнувшись с грузом — флуоресцентными молекулами желтого и розового красителя, — робот брал его и переносил в нужную точку, в зависимости от цвета мишени. Он был разработан таким образом, чтобы отсортировать весь груз. Работало чудо молекулярной инженерии очень неторопливо: за 24 часа он разложил добычу на две разноцветные кучки по три молекулы в каждой. После некоторых модификаций исследователям удалось создать роботов, которые обладали 80% шансом доставить груз в нужную точку — а для такого крошечного механизма это весьма высокий показатель.

По мнению ученых, наноботов из ДНК можно будет проектировать и настраивать различными способами, в зависимости от поставленной задачи. Несколько роботов смогут одновременно работать в одной и той же области как по-отдельности, так и сообща. Но для того, чтобы они приносили практическую пользу, работать им придется намного быстрее. На помощь приходит классическая анатомия: исследователи уверены, что если оснастить роботов «хвостами» (которые в живой природе помогают перемещаться в среде и облегчают координацию животных), то биомеханизмы станут более резвыми. Да и старые-добрые двигатели никто не отменял.

Главный прогресс в данном случае заключается в методологии исследователей, считает Джон Х. Рейф, профессор компьютерных наук Университета Дьюка. «Подобные системы должны быть способны выполнять более сложные задачи, такие как реакции химического синтеза», утверждает он в сопроводительной редакционной статье для Science. Цянь, в свою очередь, отметила, что роботы были созданы исключительно с экспериментальной целью, однако не исключает, что в будущем им найдется практическое применение. По ее мнению, более совершенные наноорганические роботизированные структуры смогут буквально собирать из введенных в организм ресурсов лекарственные препараты, которые обычно не могут пройти через гемато-энцефалический барьер — к таким, к примеру, относится большинство препаратов против рака.

ДНК-роботы будут полезны и в космосе: во время длительных перелетов они будут курсировать по крови в «спящем» режиме, но если жизненные показатели астронавта вдруг упадут — робот проснется и введет в кровь необходимое лекарство.