ДНК-нанобот, состоящий из одной молекулы, нашёл выход из лабиринта

Система, созданная учёными, состоит из огромного количества одномолекулярных ДНК-навигаторов, которые исследуют все возможные пути прохода через лабиринт.
Иллюстрация qimono/pixabay.com.

Команда учёных из Германии и Китая поделилась результатами удивительного эксперимента. Специалисты создали ДНК-нанобота, состоящего всего лишь из одной молекулы, и запустили его в двухмерный лабиринт, сконструированный по принципу оригами. Так называемый ДНК-навигатор сумел найти выход.

Напомним, что технология ДНК-оригами позволяет создавать из цепочек ДНК различные конструкции. Это возможно благодаря тому, что длинные ДНК-молекулы состоят из нуклеотидов, образующих пары: аденин с тимином, цитозин с гуанином. Задавая последовательность нуклеотидов в цепочке, можно добиться того, что она будет складываться и скрепляться в нужных местах и под нужным углом. Таким способом можно создавать бесконечное множество структур.

В данном случае команда под руководством Фридриха Зиммеля (Friedrich Simmel) из Мюнхенского технического университета и Чуньхая Фаня (Chunhai Fan) из Китайской академии наук при помощи технологии ДНК-оригами создала лабиринт, структура которого напоминает математический древовидный граф. При этом "проходы" лабиринта имеют так называемые ДНК-скобы, к которым может присоединиться другая молекула. В то же время области без таких "зацепок" служат "стенами".

Уточняется, что получившийся лабиринт по структуре эквивалентен десятивершинному корневому дереву (схема показана ниже). Он содержит один вход и один выход.

Авторы работы поясняют, что созданное ими крошечное устройство называется ДНК-ходок (DNA walker). Он передвигается благодаря цепным реакциям ДНК-гибридизации (соединение подходящих друг другу одноцепочечных нуклеиновых кислот в одну молекулу).

"Когда мы активируем эту систему, ДНК-шпилька (элемент одноцепочечной ДНК – прим.ред.), закреплённая на подложке оригами, вызывает последовательность конформационных изменений на других ДНК-шпильках, от одного соседа к другому, в определённых позициях. Этот механизм, который мы назвали каскадом обмена проксимальной цепью, похож на принцип домино", — поясняет Чуньхай Фань.

По его словам, такой механизм обеспечивает возможность поворота в проходах лабиринта. В результате, если в такое сооружение запустить несколько ДНК-наноботов, каждый из них сможет автономно исследовать один из возможных маршрутов, что обеспечит параллельный поиск в глубину (это один из методов обхода графа).

"Наша система состоит из огромного количества таких одномолекулярных ДНК-навигаторов, которые совместно исследуют все возможные пути прохода через лабиринт, и поэтому происходит огромное количество каскадов обмена проксимальной цепью", — отмечает Чуньхай Фань.

Чтобы помочь ДНК-наноботу выбрать единственный правильный путь из множества вариантов, учёные химически модифицировали вершину древовидного графа, обозначающую выход.

В ходе экспериментов специалисты наблюдали за передвижениями ДНК-навигаторов при помощи cканирующего атомно-силового микроскопа и микроскопа с очень высоким разрешением. Первый метод позволяет отследить проложенные маршруты и области, в которых ДНК-ходок ещё не побывал. Второй метод предоставляет флуоресцентную визуализацию маршрута с наноразмерным разрешением.

"Наша работа – ещё один важный шаг к реализации автономных и интеллектуальных наномасштабных роботизированных систем, отметил Чуньхай Фань в интервью сайту Physics World. — Такие системы ведут себя скорее как биомолекулярные машины, которые объединяют молекулярное действие с простыми процессами принятия решений".

Исследователи уверены, что такого рода разработки помогут расширить возможности в сфере нанотехнологий, биомолекулярной самосборки и искусственного интеллекта. Подобные ДНК-навигаторы могут использоваться для хранения и передачи информации, а также в медицине, для диагностики и лечения различных болезней, в том числе онкологии.

Более подробно эта работа описывается в статье, опубликованной в журнале Nature Materials.

Кстати, ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) сообщали о нанороботах из нитей ДНК, первый из которых способен "сортировать" молекулы и доставлять лекарства в нужные клетки, а второй был внедрён в живого таракана. Также мы писали о японском поезде, передвигающемся по ДНК-рельсам.

Тем временем российские учёные разработали алгоритм-руководство по сборке ДНК-оригами, а их американские коллеги сложили из ДНК-оригами самую маленькую в мире копию "Моны Лизы".

Сегодня