Химики интегрировали компьютерные функции в движущиеся двигатели на основе ДНК, открыв новую область возможностей для миниатюрных молекулярных роботов. Компания Nature Nanotechnology опубликовала разработку первых двигателей на основе ДНК, сочетающих вычислительную мощность со способностью сжигать топливо и двигаться в заданном направлении.
«Одним из наших больших нововведений, помимо того, чтобы заставить ДНК-моторы выполнять логические вычисления, является поиск способа преобразования этой информации в простой выходной сигнал — движение или отсутствие движения», — говорит Сельма Пираней, кандидат химических наук Университета Эмори. и первый автор статьи. «Этот сигнал может быть прочитан любым, у кого есть мобильный телефон с недорогой увеличительной насадкой».
«Прорыв Сельмы устраняет основные препятствия, которые мешали сделать ДНК-компьютеры полезными и практичными для ряда биомедицинских приложений», — говорит Халид Салаита, старший автор статьи и профессор химии Эмори в Университете Эмори. Салаита также преподает на факультете биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Коултера, совместной программы Технологического института Джорджии и Эмори.
Моторы могут воспринимать химическую информацию в своей среде, обрабатывать эту информацию и затем реагировать соответствующим образом, имитируя некоторые основные свойства живых клеток.
«Предыдущие ДНК-компьютеры не имели встроенного направленного движения», — говорит Салаита. «Но, чтобы получить более сложные операции, вам нужно объединить как вычисления, так и направленное движение. Наши ДНК-компьютеры — это, по сути, автономные роботы с сенсорными возможностями, которые определяют, двигаются они или нет».
Двигатели могут быть запрограммированы на реакцию на конкретный патоген или последовательность ДНК, что делает их потенциальной технологией для медицинских испытаний и диагностики.
Еще одним ключевым преимуществом является то, что каждый двигатель может работать независимо, по разным программам, в то время как он развернут как группа. Это открывает двери для единого огромного массива двигателей микронного размера для выполнения множества задач и обеспечения связи между двигателями.
«Способность моторов ДНК общаться друг с другом — это шаг к созданию сложных коллективных действий, генерируемых роями муравьев или бактерий», — говорит Салаита. «Это может даже привести к эмерджентным свойствам».
Нанотехнология ДНК использует естественное сродство оснований ДНК A, G, C и T к соединению друг с другом. Перемещая последовательность букв на синтетических нитях ДНК, ученые могут заставить нити связываться друг с другом таким образом, чтобы создавать различные формы и даже создавать функционирующие машины.
Лаборатория Салаита, лидер в области биофизики и нанотехнологий, разработала первый катящийся двигатель на основе ДНК в 2015 году. Устройство было в 1000 раз быстрее, чем любой другой синтетический двигатель, ускоряя развитие молекулярной робототехники. Его высокая скорость позволяет простому смартфону-микроскопу запечатлеть его движение на видео.
«Шасси» мотора представляет собой стеклянную сферу микронного размера. Сотни нитей ДНК, или «ножек», могут прикрепляться к сфере. Эти ножки ДНК помещаются на предметное стекло, покрытое реагентом РНК, моторным топливом. Ноги ДНК тянутся к РНК, но как только они ступают на нее, они стирают ее благодаря активности фермента, который связан с ДНК и разрушает только РНК. Когда ноги связываются, а затем освобождаются от субстрата, они продолжают вести сферу вперед.
Когда Пираней присоединилась к лаборатории Салаиты в 2018 году, она начала работать над проектом по выводу двигателей качения на новый уровень путем создания логики компьютерного программирования.
«Основной целью в области биомедицины является использование преимуществ ДНК для вычислений», — говорит Пираней. «Мне нравится идея использовать что-то, что является врожденным для всех нас, для разработки новых форм технологий».
ДНК похожа на биологический компьютерный чип, хранящий огромное количество информации. Основными единицами операций для вычисления ДНК являются короткие нити синтетической ДНК. Исследователи могут изменить «программу» ДНК, изменив последовательности AGTC на цепях.
«В отличие от твердого кремниевого чипа, компьютеры и двигатели на основе ДНК могут работать в воде и других жидких средах», — говорит Салаита. «И одна из самых больших проблем при производстве кремниевых компьютерных чипов — попытаться упаковать больше данных во все меньшую площадь. ДНК предлагает потенциал для параллельного выполнения многих операций обработки на очень маленьком пространстве. даже уйти в бесконечность».
Синтетическая ДНК также биосовместима и дешева в производстве. «Вы можете реплицировать ДНК с помощью ферментов, копируя и вставляя ее столько раз, сколько захотите», — говорит Салаита. «Это практически бесплатно».
Однако ограничения остаются в зарождающейся области вычислений ДНК. Ключевым препятствием является обеспечение легко читаемого результата вычислений. Современные методы в значительной степени основаны на маркировке ДНК флуоресцентными молекулами и последующем измерении интенсивности излучаемого света на разных длинах волн. Этот процесс требует дорогостоящего и громоздкого оборудования. Это также ограничивает сигналы, которые могут быть прочитаны, до присутствующих в электромагнитном спектре.
Несмотря на образование химика, Пираней начал изучать основы информатики и углубляться в биоинженерную литературу, чтобы попытаться преодолеть это препятствие. Ей пришла в голову идея использовать известную биоинженерную реакцию для выполнения вычислений и соединить ее с движением вращающихся двигателей.
Реакция, известная как смещение нитей, опосредованное зацеплением, происходит на дуплексной ДНК — двух комплементарных цепочках. Нити плотно прилегают друг к другу, за исключением одного свободного, гибкого конца нити, известного как удержание пальца ноги. Движущийся двигатель можно запрограммировать, покрыв его дуплексной ДНК, комплементарной ДНК-мишени — представляющей интерес последовательности.
Когда молекулярный мотор сталкивается с ДНК-мишенью, катясь по своей РНК-дорожке, ДНК-мишень прикрепляется к зацепу дуплекса ДНК, разрывает его на части и закрепляет мотор на месте. Считываемое компьютером становится просто «движение» или «отсутствие движения».
«Когда я впервые увидел, как эта концепция работает во время эксперимента, я издал очень громкий, возбужденный звук», — вспоминает Пираней. «Один из моих коллег подошел и спросил: «Ты в порядке?» Ничто не сравнится с тем, как твоя идея воплощается в жизнь вот так. Это прекрасный момент».
Эти два основных логических элемента «движение» или «отсутствие движения» могут быть соединены вместе для создания более сложных операций, имитируя то, как обычные компьютерные программы строятся на логических элементах «ноль» или «единица».
Пираней продвинул проект еще дальше, найдя способ объединить множество различных компьютерных операций и по-прежнему легко читать вывод. Она просто варьировала размер и материалы микроскопических сфер, из которых состоит шасси вращающихся двигателей на основе ДНК. Например, сферы могут иметь диаметр от трех до пяти микрон и быть изготовлены либо из кремнезема, либо из полистирола. Каждое изменение обеспечивает слегка отличающиеся оптические свойства, которые можно различить в микроскоп сотового телефона.
Лаборатория Салаиты работает над налаживанием сотрудничества с учеными из Атлантского центра микросистемных инженерных технологий для оказания медицинской помощи, центра, финансируемого NIH, созданного Эмори и Технологическим институтом Джорджии. Они изучают потенциал использования технологии вычислений ДНК для домашней диагностики COVID-19 и других биомаркеров заболеваний.
«Разработка устройств для биомедицинских приложений особенно полезна, потому что это шанс оказать большое влияние на жизнь людей», — говорит Пираней. «Вызовы этого проекта сделали его более интересным для меня», — добавляет она.
