Burada bir atadan kalma DNA parçam var. Bunu size robot olmanız için vereceğim
Yazar: yuvarlak kutu
Düzenleme: yarın
DNA, genetik dışında başka ne yapabilir?
İşte alternatif bir cevap: Bir robota toplayın.
Bu haftanın "Science" dergisinin kapak hikayesi, uzaktan kontrol edilebilen ve bir başarı elde etmek için kullanabilen nano-mekanik bir kolu başarılı bir şekilde monte etmek için DNA moleküllerini kullanan Almanya'dan bilim adamları hakkındadır Nano altın parçacığı itin .
DNA ile birleştirilmiş şerit şeklindeki platform (kırık beyaz) üzerine, yine DNA'dan yapılmış bir dizi nano-mekanik kol (mavi-mor) yerleştirilir.Parlak sarı kısım, robotik kolun hareket pozisyonunu algılayabilir. Bir elektrik alanı uygulayarak, nano mekanik kolun dönüşü hassas bir şekilde kontrol edilebilir. Bu cihaz daha da geliştirilerek nanorobotların bir parçası haline getirilebilir. Resim kaynağı: Bilim | Çizim: C. Bickel / Bilim | Veri desteği: E. Kopperger, F. C. Simmel / Münih Teknik Üniversitesi
Başlangıçta DNA, biyologların hayaliydi. Dört temelden oluşan bu uzun zincir, hayatın sırlarının çoğunu barındırıyor. Daha sonra bu tuhaf makromolekül, nanobilimcilerin ilgisini çekti.
Bunun iki nedeni var:
DNA molekülleri, uzun DNA ipliklerinin kırılmadan bükülmesini ve bükülmesini sağlayan esnek ve güçlü baz bağlanmasıdır;
Tasarım makul olduğu sürece, iki DNA, tıpkı Lego bloklarını bir araya getirmek gibi, baz eşleştirmesiyle mükemmel bir şekilde bağlanabilir, birçok DNA parçası istenen modelde bir araya getirilebilir.
Birleştirilmiş DNA parçalarını daha iyi manipüle etmek için " DNA Origami (DNA origami) teknolojisi ortaya çıktı. 2006 yılında Rothemund adlı Amerikalı bir bilim adamı, gülümseyen bir yüzü bükmek ve katlamak için 7.000 baz çiftli uzun bir DNA ipliği kullandı.
DNA moleküllerini gülümseyen bir yüz şekline katlamak için DNA origami kullanın. Resim kaynağı: Referanslar
Böylece DNA bir ressam olarak önünü açtı. İnsanların DNA kullanarak katlayabilecekleri şekiller giderek daha karmaşık hale geliyor: haritalar, yıldızlar, kutular ve hatta bir Mona Lisa! Bu da dolaylı olarak bir cümleyi kanıtlıyor: "Her bilim adamı sadece yetişkin bir çocuktur."
DNA moleküllerinin katlanmış şekli giderek daha karmaşık hale geliyor, görüntü kaynağı: referans
Bununla birlikte, Almanya'daki Münih'ten bir grup araştırmacı, bunların yeterince uzak olduğunu düşünüyorlar - sadece karmaşık desenlere sahip olmak değil, aynı zamanda DNA'yı hareket ettirmek istiyorlar!
Böylece hikaye başlıyor.
İlk olarak, nano mekanik bir kol ve bir platform oluşturmak için DNA origami kullandılar. Nano kolun uzunluğu yalnızca 25 nm'dir ve altındaki platform biraz daha büyüktür ve yan uzunluğu 55 nm'dir. Daha sonra tutkal gibi taban çifti bağlantısı ile robotik kolun bir ucu platforma yapıştırılır. Bu cihaz duvarınızdaki duvar saati kadar büyükse, gerçek duvar saati Hebei Eyaleti kadar büyük olacaktır.
Soldaki resim, DNA nanomanipülatörünün bir simülasyon diyagramıdır.Mavi ve beyaz kısım nanomanipülatördür ve kirli beyaz, DNA tarafından bir araya getirilmiş platformdur. Sağdaki fotoğraf, ilgili mikrograftır.Gri-beyaz kare platformda, daha açık renk nanomanipülatörün şeklini gösterir. Resim kaynağı: Referans
Bir sonraki adımda, nanomanipülatörü nasıl hareket ettireceğimizi düşünmeliyiz.
Bu, lise ders kitaplarında yazılı bir ilkenin yardımını gerektirir: bir elektrik alanında, yüklü nesneler hareket eder. Araştırmacılar, DNA moleküllerini yüklü hale getirmek için bir araya getirilen nano cihazları özel bir çözüme koydu. Bundan sonra, tüm sistemi elektrik alanına koyun ve elektrik alanın gücünü ve yönünü bilgisayar aracılığıyla uzaktan kontrol edin. Sonra, DNA'nın bir ucu zaten sabitlendiğinden, sadece sabit noktadan uzaktaki uç hareket edebilir Uygulanan elektrik alanı yeterince güçlü olduğunda, tüm DNA robotik kolu hızla dönecektir. Bu sayede cihaz daha çok bir duvar saatine benziyor ancak boyutu sıradan bir duvar saatinden 100.000 kat daha küçük.
Bu küçük cihazın dönüşünü "görebilmek" için, araştırmacılar " Floresans rezonans enerji transferi DNA moleküllerinin hareketini izlemek için (FRET) "teknolojisi. Spesifik olarak, DNA'nın katlandığı platforma bazı özel küçük moleküller yerleştirmektir. Bu küçük moleküller dedektörler gibi davranırlar. Karşılık gelen floresan sinyaller üretilecektir.Bu floresan sinyalleri tespit ederek DNA robotik kolunun pozisyonu netleştirilebilir ve eylemi tespit edilebilir. DNA'nın dönen floresan "fotoğrafını" görebiliriz .
Soldaki resim, rotasyondaki DNA robotik kolunun şematik bir diyagramıdır. Sağdaki resim, gerçekte tespit edilen floresan sinyali gösterir. Parlak daire, robotik kolun döndüğünü gösteren, algılama molekülünü tarayan DNA robotik kolu tarafından üretilen sinyaldir; merkezdeki parlak nokta, robotik kol ile alt platform arasındaki bağlantı noktasıdır. Ortaya çıkan sinyal. Resim kaynağı: Referans
Peki, bu DNA robotik kolu ne yapabilir? Bir robotik kolun yapması gerekeni yapın Bir şeyleri taşıyın .
Araştırmacılar, 400 nm uzunluğunda bir robotik kol yapmak için orijinal robotik kolu 16 kat uzattı. Sonra, serbestçe hareket edebilen DNA robotik kolunun ucuna 25 nm altın bir parçacık eklediler. Bu noktada, harici elektrik alan açıldığı ve DNA robotik kolu dönmeye başladığı sürece, aynı anda üstteki nanopartikülleri hareket ettirebilir. Bu işlem basit görünüyor, ancak büyük önemi var - eğer altın parçacıklarını itebilirse, bir sonraki adımda ilaç parçacıklarını itebilir mi? Nanorobotların önemli uygulama senaryolarından biri Moleküler düzeyde ilaçların kesin salınımının farkına varın .
Şeklin üst kısmı, altın bir nanopartikülü (altın) iten bir DNA robotik kolunun (sarı ve beyaz) şematik diyagramıdır. Kırmızı ve yeşil noktalar, robotik kolun ve altın partikülün hareket pozisyonunu gösteren algılama molekülleridir. Resmin alt kısmı, karanlık parçacıkların nano altın parçacıklar olduğu ve açık renkli doğrusal yapıların DNA robotik kolları olduğu karşılık gelen fotomikrograftır. Resim kaynağı: Referanslar | Çince ek açıklama: yuvarlak kare
DNA robotik kolu nanopartiküller için güç sağlayabildiğinden, aynı zamanda Daha büyük bir sistemde motor veya pervane görevi gören diğer nano cihazlar için bir güç kaynağı olabilir. . Bu amaca ulaşmak için, DNA manipülatörlerinin kolayca monte edilebilmesi gerekir. Bu nedenle, araştırmacılar daha fazla girişimde bulundu. Birden fazla DNA platformunu uzun bir şerit platformunda bir araya getirdiler ve bu uzun platforma aynı anda birkaç DNA robotik kolu yerleştirdiler. Dış elektrik alanı etkinleştirildiğinde, tüm mekanik kolların birbirine müdahale etmeden hareket ettiği gözlemlenebilir.
Bu girişimin önemi, DNA robotik kolunun diğer DNA tabanlı nanoyapılara entegre edilecek bir modül olarak kullanılabileceğini kanıtlamaktır. Tüm sistemler küçükten büyüğe, basitten karmaşığa evrilmiştir. DNA nanorobotları çalışmasında, bu robotik kolun ortaya çıkışı ileriye doğru atılmış önemli bir adımdır.
Şekil A, birden çok DNA platformundan ve DNA robotik kollarından oluşan bir nanosistemi gösterir ve Şekil B, karşılık gelen mikrograftır. Şekil C, Şekil B'nin kısmen büyütülmüş bir görünümüdür. Platform üzerinde iki mekanik kolun "gerildiği" görülebilir. Şekil D, bu nanosisteme bir elektrik alanı uygulandıktan sonra tespit edilen floresan sinyalidir. Şeritli DNA platformunda birden fazla floresan daire görülebilir.Bunlar dönen DNA robotik kollardır. Resim kaynağı: Referans
Her zaman, Nanorobot Her ikisi de insanlığın en çılgın hayallerinden biridir. Akademisyenler bu konuda sadece ezoterik teorileri incelemekle kalmaz, aynı zamanda birçok ilginç girişimde bulunur. Fransa'da düzenlenen dünyanın ilk "Nanocar Yarışması" 2017 yılında, yarışmacılar onlarca molekülden oluşan "yarış arabaları" idi. Şampiyon, Amerika Birleşik Devletleri'nden saatte 35 nanometre hıza ulaşan bir "çift kutuplu yarış arabası". Bırakın bu araba tam hızda yarışsın ve sadece 500 yıl içinde madeni parayla bir mesafe koşabilir. Elbette, bu "yarış arabasının" yapımı pahalıdır ve karmaşık yollarla atomlardan eklenmiştir.
Bu şekilde basit, ucuz ve esnek DNA şüphesiz güçlü bir araçtır. Dahası, soğuk makineler ve devrelerle karşılaştırıldığında, DNA bize daha fazla yakınlık getirebilir gibi görünüyor.
Nanorobotların nihai hayaline adım adım yaklaşarak bir DNA makromolekül şeridi tasarlıyor, üretiyor ve kontrol ediyoruz.
Ama dikkatlice düşünürsek, biz kendimiz DNA tarafından tasarlanan, üretilen ve kontrol edilen bir dizi "makine" mıyız?
ps: Tabii ki, insanlar tarafından tasarlanan DNA nanorobotlar hala birçok zorlukla karşı karşıya. Örneğin, bir deney yaparken hapşırmamalısınız, aksi takdirde aylarca süren sıkı çalışma ortadan kalkar.
Dizgi: Xiaolan
Referanslar:
Nano ölçekli şekiller ve desenler oluşturmak için DNA'nın katlanması. Nature, 2006, 440 (7082), 297-302.
Rasgele desenlerle mikrometre ölçekli DNA origami dizilerinin fraktal montajı. Nature, 2017, 552 (7683), 67.
Elektrik alanları tarafından kontrol edilen, kendi kendine monte edilen nano ölçekli bir robotik kol. Science, 2017, 10.1126 / science.aar6580
Bireyler arkadaş çevresine iletebilirler
Bu makale Guo kabuk ağından geliyor
Lütfen yeniden basım için yetki ile iletişime geçin: sns@guokr.com
Başvuru için lütfen bilimselguokr@163.com ile iletişime geçin.
