研究人員設(shè)計(jì)了一種磁控系統(tǒng)，可以根據(jù)需要移動(dòng)基于DNA的小型機(jī)器人 - 并且比最近可能的速度快得多。

在Nature Communications雜志上，來自俄亥俄州立大學(xué)的Carlos Castro和Ratnasingham Sooryakumar及其同事報(bào)告稱，控制系統(tǒng)將原型納米機(jī)器人組件的響應(yīng)時(shí)間從幾分鐘縮短到不到一秒鐘。

這項(xiàng)研究不僅代表了速度的顯著提高，而且最近的另一項(xiàng)研究預(yù)示著基于DNA的分子機(jī)器的第一次直接實(shí)時(shí)控制。

有朝一日，這一發(fā)現(xiàn)使納米機(jī)器人能夠像全尺寸機(jī)器人那樣快速可靠地制造物品 - 例如藥物輸送設(shè)備。以前，研究人員只能間接地移動(dòng)DNA，通過誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)來誘導(dǎo)它移動(dòng)某些方式，或引入通過與DNA結(jié)合重新配置DNA的分子。這些過程需要時(shí)間。

“想象一下，告訴工廠里的一個(gè)機(jī)器人要做一些事情并且必須等待五分鐘才能完成一項(xiàng)任務(wù)。就像早期控制DNA納米機(jī)器的方法一樣，”機(jī)械學(xué)副教授卡斯特羅說。和航空航天工程。

“像我們的磁性方法這樣的實(shí)時(shí)操作方法使科學(xué)家能夠與DNA納米器件相互作用，并與分子和分子系統(tǒng)相互作用，這些分子和分子系統(tǒng)可以通過直接的視覺反饋實(shí)時(shí)耦合到那些納米器件。 “

在早期的工作中，卡斯特羅的團(tuán)隊(duì)使用一種稱為DNA折紙的技術(shù)來折疊單個(gè)DNA鏈，形成簡單的微觀工具，如轉(zhuǎn)子和鉸鏈。他們甚至用DNA制造了一種“特洛伊木馬”，用于向癌細(xì)胞輸送藥物。

對(duì)于這項(xiàng)新研究，研究人員與物理學(xué)教授Ratnasingham Sooryakumar一起參加了研究。他之前開發(fā)了用于在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用(如基因療法)中移動(dòng)生物細(xì)胞的微型磁性“鑷子”。鑷子實(shí)際上是由一組磁性粒子組成，它們同步移動(dòng)，推動(dòng)人們想要它們?nèi)サ募?xì)胞。

Sooryakumar解釋說，這些磁性粒子雖然肉眼看不見，但仍比卡斯特羅的納米機(jī)器大很多倍。

“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種利用磁力的力量探測微觀世界的方法 - 一個(gè)驚人復(fù)雜的隱藏世界，”他說。“但我們希望從微觀世界過渡到納米世界。這導(dǎo)致了與卡斯特羅博士的合作。挑戰(zhàn)是將我們的粒子的功能縮小一千倍，將它們耦合到移動(dòng)的精確位置機(jī)器的一部分，并將熒光分子作為信標(biāo)，以便在機(jī)器移動(dòng)時(shí)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。“

在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)使用DNA折紙建造了桿，轉(zhuǎn)子和鉸鏈。然后，他們使用僵硬的DNA杠桿將納米級(jí)組件連接到由聚苯乙烯浸漬磁性材料制成的微型珠子。通過調(diào)整磁場，他們發(fā)現(xiàn)它們可以命令粒子來回?cái)[動(dòng)組件或旋轉(zhuǎn)它們。組件在不到一秒的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行指示的運(yùn)動(dòng)。

例如，納米轉(zhuǎn)子能夠在大約一秒內(nèi)旋轉(zhuǎn)整個(gè)360度，并且由旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動(dòng)連續(xù)控制的運(yùn)動(dòng)。納米鉸鏈能夠在0.4秒內(nèi)閉合或打開，或以8度的精度保持特定角度。

卡斯特羅說，如果用傳統(tǒng)方法執(zhí)行，這些動(dòng)作可能需要幾分鐘。他設(shè)想復(fù)雜的納米材料或生物分子復(fù)合物有朝一日可以在基于DNA的納米工廠中制造，以檢測并響應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境。

這項(xiàng)研究很長一段時(shí)間：研究人員決定在幾年前將Sooryakumar的磁性平臺(tái)與Castro的DNA設(shè)備合并。“幾位學(xué)生花了很多精力去完成這個(gè)想法，我們很高興繼續(xù)在此基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展。這項(xiàng)研究展示了一項(xiàng)令人興奮的進(jìn)步，只有通過這種跨學(xué)科合作才能實(shí)現(xiàn)。” 卡斯特羅說。