Группа ученых из Колумбийского университета (Columbia University), Государственного университета Аризоны (Arizona State University), Университета Мичигана (University of Michigan) и Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology – Caltech) сконструировала автономный молекулярный «робот» из ДНК, способный автономно начинать движение, перемещаться, менять направление и останавливаться, двигаясь по цепочкам ДНК.

В конечном итоге разработка может привести к созданию молекулярных систем, которые однажды могут быть использованы в качестве медицинских терапевтических устройств и реконфигурируемых роботов молекулярного масштаба – роботов, сделанных из простых единиц, способных изменять и даже восстанавливать себя для выполнения различных задач.

Статья, описывающая работу, опубликована в текущем номере журнала Nature.

Традиционно робот рассматривается как «машина, которая воспринимает окружающую среду, принимает решение и затем что-либо делает – робот действует», говорит Эрик Винфри (Erik Winfree), адъюнкт-профессор Калифорнийского технологического института.

Сокращение размеров робота до молекулярного масштаба даст такие же преимущества в области молекулярных процессов, какие классическая робототехника и автоматизация предоставляют в макроскопическом масштабе. Теоретически молекулярные роботы могут быть запрограммированы на восприятие окружающей их среды (например, присутствие в клетке маркеров какого-либо заболевания), принятие решения (что клетка является раковой и должна быть нейтрализована) и действие, определяемое принятым решением (доставка убивающих рак лекарственных препаратов).

Или, как на современных заводах, их можно запрограммировать на сборку сложных молекулярных продуктов. Преимущество робототехники заключается в том, что однократно запрограммированный робот может выполнять свои функции автономно, без какого-либо дополнительного вмешательства человека.

Однако создание таких роботов сталкивается с практической проблемой: как запрограммировать такое сложное поведение молекулы?

«В обычной робототехнике сам робот несет знание о командах, но если речь идет об отдельных молекулах, то в них невозможно сохранить такое количество информации. Поэтому возникает идея – хранить информацию о командах вне самой молекулы», – говорит Нилс Волтер (Nils G. Walter), профессор химии и директор центра Single Molecule Analysis in Real-Time Center (SMART) при Университете Мичигана. «Но это можно сделать, заполнив информационными сигналами окружающую молекулу-робот среду»,– добавляет руководитель проекта Милан Н. Стоянович (Milan N. Stojanovic), преподаватель кафедры экспериментальных методов терапии Колумбийского университета.

«Нам удалось создать такую запрограммированную или «прописанную» окружающую среду, использовав ДНК-оригами», – объясняет Хао Ян (Hao Yan), профессор химии и биохимии в Государственном университете Аризоны и специалист в области ДНК-нанотехнологии. ДНК-оригами, изобретение старшего научного сотрудника Caltech Пола Ротемунда (Paul W. K. Rothemund), представляет собой структуру из ДНК, которая может быть запрограммирована на образование почти неограниченного числа форм и шаблонов (например, улыбающихся лиц, или карт Западного полушария, или даже электрических схем). Используя способность ДНК к узнаванию комплиментарных оснований при образовании пар нуклеотидов, ДНК-оригами создаются из длинной одноцепочечной нити ДНК и смеси различных коротких синтетических цепочек ДНК, которые связываются с основной длинной нитью, образуя нужную форму. В описанном в журнале Nature исследовании оригами представляло собой прямоугольник толщиной 2 нанометра с длиной и шириной около 100 нанометров.

Последний вклад в ДНК-нанотехнологии: молекулярный наноробот, названный «пауком», помеченный зеленым, движется по подложке из ДНК-оригами. Он перемещается к своей цели, окрашенной красным, расщепляя субстрат и таким образом демонстрируя свойства автономно движущегося, проявляющего логичное поведение робота молекулярного масштаба. [Credit: Courtesy of Paul Michelotti]

Исследователи сконструировали вереницу молекулярных «хлебных крошек» на трассе ДНК-оригами, «привязывая» дополнительные одноцепочечные молекулы ДНК, или олигонуклеотиды, с разных сторон от основного элемента. Такие олигонуклеотиды и представляют собой сигналы, которые говорят молекулярным роботам, что им нужно делать – начать движение, продолжить его, повернуть налево или направо или, например, остановиться – что сродни командам, отдаваемым традиционным роботам.

Молекулярный робот, выбранный для использования учеными– названный «пауком» – был изобретен Стояновичем несколько лет назад. В то время он был способен к длительным, но не направленным, а случайным перемещениям по двумерным поверхностям, «питаясь» по пути «хлебными крошками».

Конструируя молекулярный робот диаметров в 4 нм, исследователи взяли за основу обычный белок стрептавидин, который имеет четыре симметрично расположенных сайта для химического связывания с биотином. Каждая нога робота представляет собой цепочку ДНК, помеченную биотином, и «таким образом мы можем связать все четыре ноги с телом нашего робота», объясняет Волтер. «Это четырехногий паук»,– шутит Стоянович. Три ноги сделаны из ферментативной ДНК, то есть ДНК, которая связывается с определенной последовательностью другой ДНК и вырезает ее. Паук также оснащен «стартовой цепочкой» – четвертой ногой – которая привязывает его к стартовому сайту (специфическому олигонуклеотиду на треке ДНК-оригами). После того как робот запускается с места своего старта триггерной цепочкой ДНК, он передвигается по треку, связывая и затем вырезая участки ДНК, находящиеся за пределами основной цепочки», – объясняет Стоянович.

«Как только такой участок ДНК подвергается воздействию фермента, он разлагается, и нога начинает поиск следующего субстрата»,– добавляет Ян. Таким образом паук направляется по пути, намеченному учеными. В конечном итоге, объясняет Ян, «робот остановится, когда встретит на своем пути участок ДНК, с которым он может связаться, но который не может вырезать» – своего рода липучку для мух.

Хотя подобные «ДНК-путешественники» уже были разработаны ранее, они никогда не «отваживались» сделать более трех шагов. «Наш, – говорит Ян, – может пройти около 100 нанометров. Это примерно 50 шагов».100 нанометров нанопаук проходит за период от 30 минут до целого часа.

«Само по себе это не было неожиданностью, – добавляет Винфри, – так как оригинальная работа Милана предполагает, что пауки могут делать сотни, если не тысячи, поступательных шагов. Удивительно же здесь то, что мы не только можем непосредственно подтвердить многоступенчатое движение пауков, но и направляем их по определенному пути, и все это они делают сами – автономно».

Действительно, с помощью атомно-силовой микроскопии и флуоресцентной микроскопии отдельных молекул (single-molecule fluorescence microscopy) ученые смогли непосредственно наблюдать ползущих по оригами пауков, показав, что они могут направлять своих молекулярных роботов по четырем разным путям.

«Мониторинг этого процесса на уровне отдельной молекулы является весьма сложной задачей», – говорит Волтер. «Вот почему наша работа была междисциплинарной, и нам были нужны специалисты из разных институтов. У нас есть ученые, создавшие саму концепцию, и разработавшие характеристики базисного паука. У нас есть возможность собрать ДНК-трек и анализировать систему с помощью визуализации отдельной молекулы. Это сложная техническая задача».

Научная задача на будущее – «найти, как заставить паука двигаться быстрее и как сделать весь процесс более программируемым, так чтобы паук мог выполнять больше команд и принимать больше решений, демонстрируя логичное поведение», говорит Ян.

«В созданной сейчас системе, – объясняет Стоянович, – взаимодействия ограничены роботом и окружающей его средой. Нашим следующим шагом будет добавление к системе второго робота с тем, чтобы они могли осуществлять коммуникацию друг с другом как непосредственно, так и через окружающую среду».

«Чтобы достичь цели, пауки будут работать вместе»,  – добавляет Винфри. «Чтобы решить эту задачу, надо научиться программировать поведение высокого уровня на основе взаимодействий более низкого уровня».

Такое сотрудничество в конечном итоге может стать основой для создания молекулярных реконфигурируемых роботов – сложных машин, состоящих из многих простых единиц, способных реорганизовать себя в любую форму – для выполнения различных задач, или восстановиться в случае поломки. Например, таких роботов можно будет использовать в медицине. Идея состоит в том, что они смогут создавать структуры или ремонтировать поврежденные ткани.

«Представьте, что паук несет лекарство, связывается с двумерной поверхностью, такой как клеточная мембрана, находит рецепторы и, в зависимости от местных условий окружающей среды, активирует этот лекарственный препарат», – добавляет Ян.

«Такое использование роботов, очень интригующее, станет возможным через десятилетия, а возможно и еще позже. Это может случиться и через 100 лет», – говорит Стоянович. «Сейчас мы так далеки от этого».

«Но, так же как сегодня ученые собираются для решения какой-либо сложной проблемы, молекулярные нанороботы будут делать это в будущем», – считает Волтер.

Аннотация к статье Kyle Lund, Anthony J. Manzo, Nadine Dabby, Nicole Michelotti, Alexander Johnson-Buck, Jeanette Nangreave, Steven Taylor, Renjun Pei, Milan N. Stojanovic, Nils G. Walter, Erik Winfree, Hao Yan. Molecular robots guided by prescriptive landscapes .